Documento - Publicaciones de Defensa

SUBDIRECCIÓN GENERAL DE TECNOLOGÍA E INNOVACIÓN
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa nº 31 • 2º Trimestre de 2011
Hélices CLT: tecnología BAM
• Proyecto SIMPLE
• El futuro en nuestra voz
• El reto del ahorro energético en UNAMID
boletín de observación tecnológica en defensa nº 31
CONTENIDOS
Editorial
Actualidad
Edita:
4
NIPO: 075-11-165-4 (papel)
NIPO: 075-11-164-9 (en línea)
Depósito legal: M-8179-2009
Autor: Sistema de Observación y Prospectiva Tecnológica
(SOPT), Subdirección General de Tecnología e Innovación
(SDG TECIN) de la Dirección General de Armamento y
Material (DGAM). C/ Arturo Soria 289, 28033 Madrid;
teléfonos: 91 395 46 31 (Dirección), 91 395 46 87
(Redacción); observatecno@oc.mde.es.
Director: CF Ing José María Riola Rodríguez.
Redacción: Patricia López Vicente.
Consejo Editorial: Cap. Aurelio Hinarejos Rojo, Oscar
Jiménez Mateo, Tomás A. Martínez Piquer, José Agrelo
Llaverol. Equipo de Redacción: Nodo Gestor: Guillermo
González Muñoz de Morales, David García Dolla;
Observatorio de Armas, Municiones, Balística y Protección
(OT AMBP): Jorge Lega de Benito; Observatorio de
Electrónica (OT ELEC): Yolanda Benzi Rabazas, Fernando
Iñigo Villacorta; Observatorio de Energía y Propulsión (OT
ENEP): Héctor Criado de Pastors; Observatorio de
Defensa NBQ (OT NBQ): T.Col. Alfredo Fernández López,
Angélica Acuña Benito; Observatorio de Materiales (OT
MAT): Luis Requejo Morcillo; Observatorio de Óptica,
Optrónica y Nanotecnología (OT OPTR): Ing. D. Fernando
Márquez de Prado Urquía, Pedro Carda Barrio;
Observatorio de UAVs, Robótica y Sistemas Aéreos (OT
UAVs): Ing. D. José Ramón Sala Trigueros; Observatorio
de Sistemas Navales (OT SNAV): CF Ing José María Riola
Rodríguez, Juan Jesús Díaz Hernández; Observatorio de
Sistemas Terrestres (OT STER): Col. CIP Manuel Engo
Nogués; Observatorio de Tecnologías de la Información,
Comunicaciones y Simulación (OT TICS): Ing. D. Francisco
Javier López Gómez, Fernando Cases Vega, Nuria Barrio
Santamaría.
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Desarrollo de capacidades NBQ
RTO-SET-123: Nanotecnología y manipulación
electromagnética
7
Jornada sobre soluciones tecnológicas en C-IED
8
6ª Jornadas de presentaciones de empresas DISA
8
Jornada “Robótica en el sector de la seguridad y la
defensa”
9
Convenio de colaboración con INNOVAMAR
9
Jornada de difusión sobre el Programa EFC-JIP CBRN
10
Tecnologías de doble uso: I+D al servicio de la sociedad
Portada: imagen del ensayo de cavitación y CTL
instalada en el BAM, artículo “Hélices CTL: tecnología
BAM” (Imagen del CEHIPAR).
Tecnologías Emergentes
El Boletín de Observación Tecnológica en Defensa es una
publicación trimestral en formato electrónico del Sistema de
Observación y Prospectiva Tecnológica orientado a
divulgar y dar a conocer iniciativas, proyectos y tecnologías
de interés en el ámbito de Defensa. El Boletín está abierto
a cuantos deseen dar a conocer su trabajo técnico. Los
artículos publicados representan el criterio personal de los
autores, sin que el Boletín de Observación Tecnológica en
Defensa comparta necesariamente las tesis y conceptos
expuestos.
11
El reto del ahorro energético en UNAMID
15
El futuro en nuestra voz
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Proyecto SIMPLE
Colaboraciones y suscripciones:
observatecno@oc.mde.es
http://www.defensa.gob.es/areasTematic
as/investigacionDesarrollo/sistemas/
En profundidad
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Hélices CTL: tecnología BAM
DGAM
Subdirección General de Tecnología e Innovación
2
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
editorial
El Programa COINCIDENTE
Es observable que desde hace al menos dos décadas
las transferencias tecnológicas entre el mundo civil y
el de defensa evidencian que los ministerios de
defensa no lideran, salvo excepciones, la revolución
tecnológica, siendo ésta liderada cada vez más por la
dinámica de los desarrollos tecnológicos en la sociedad civil. En este contexto, y aceptándose también
que las tecnologías no son ya específicamente de
defensa o específicamente civiles, sino que la tecnología es una y lo que difieren son sus aplicaciones, se
anticipa que parece más que probable que en los
próximos años el I+D de defensa ya no va a ser la
fuente mayoritaria de tecnologías de base, sino que
ligado al I+D civil será principalmente fuente de
avances incrementales de tecnologías desarrolladas
por éste. La velocidad de los cambios tecnológicos y
el hecho de que ya no estén liderados directamente
por el sector de defensa le requerirán un esfuerzo
para la incorporación de los resultados obtenidos y el
control de la tecnología, tanto en términos de
oportunidad como de amenaza.
Todo esto plantea al I+D de Defensa el doble desafío
de por un lado saber orientar e incorporar los avances
existentes a las necesidades militares y por otro lado,
mantener el liderazgo y empuje tecnológico en esas
otras áreas, de interés puramente militar, donde el
I+D civil no está desarrollando esfuerzos.
En el ámbito europeo
pasos formales para
complementariedades
civiles y de defensa.
señalar que existen
se identifican ya los primeros
buscar sinergias y explotar
entre los esfuerzos de I+D
En el ámbito nacional cabe
diversos instrumentos que
permiten fomentar el I+D en el sector civil, y desde el
mundo de la Defensa debemos aprovechar este empuje para aplicar los desarrollos resultantes al ámbito
militar. Un ejemplo de este tipo de herramientas es el
Programa de Cooperación en Investigación Científica
y Desarrollo de Tecnologías Estratégicas (Programa
COINCIDENTE), que constituye un vehículo capacitador de las PYMES, universidad, organismos de I+D
y empresas en general, en aquellas áreas tecnológicas que son de interés para Defensa.
Se trata de un programa promovido por la DGAM
cuyo objetivo principal es aprovechar las tecnologías
desarrolladas en el ámbito civil para su aplicación
innovadora en proyectos con funcionalidad militar,
que cubran necesidades demandadas actualmente o
futuras. La última convocatoria al Programa se publicó el 19 de mayo del 2011, indicándose las áreas
tecnológicas prioritarias en las que deben enmarcarse
las propuestas, todas ellas incluidas en la Estrategia
de Tecnología e Innovación para la Defensa (ETID).
No cabe duda de la necesidad de adaptación a un
entorno cada vez más tecnológico, ya que los
ministerios de defensa son por naturaleza grandes
consumidores de tecnología, por lo que hay que
fortalecer mecanismos para la incorporación del
conocimiento científico-tecnológico en sus sistemas,
lo que significa desarrollar sinergias entre aplicaciones de seguridad civiles y militares. En esta incorporación al nuevo entorno, se enmarcan las actividades
de I+D de la SDG TECIN como este Programa
COINCIDENTE.
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
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Actualidad
Desarrollo de
capacidades NBQ
Cap. Francisco Javier Ruiz Peñalba, Área
NBQ y Materiales/ITM
Bajo el lema “Una visión nacional en un
entorno multinacional” y coincidiendo
con el 20º aniversario de la Reunificación Alemana, tuvo lugar los días 30 de
noviembre y 1 de diciembre el 1er
Simposio sobre desarrollo de capacidades NBQ en el Palacio de Congresos de Berlín, organizado por el Ministerio de Defensa de la República Federal de Alemania y la Asociación Alemana de Tecnología para la Defensa.
Se articuló en 4 sesiones plenarias,
estructuradas en temas de interés político, aspectos técnicos y defensa NBQ
civil y militar, 2 sesiones de paneles
técnicos y una exposición estática.
Durante el transcurso de las primeras y
como interés político, se expusieron las
decisiones tomadas en la reciente
cumbre de Lisboa (19/11/2010), relacionadas con las funciones y misiones
de la EDA y la NATO, que hasta ahora
eran comunes y estaban duplicadas.
Se decidió que la EDA se responsabilice del desarrollo de capacidades de
investigación y la OTAN lo haga de la
ejecución de actividades. Sobre la relación entre C-IED y CBRN, se determinó
que son áreas diferentes, pero que
mantendrán una colaboración cuando
se
vean
implicadas
actividades
relacionadas con la química.
Para la OTAN será de vital importancia
descubrir nuevas amenazas y en qué
escenario se presentan, así como definir qué requisitos necesita. Esto permitirá que las naciones puedan reducir
los gastos, sus presupuestos y adaptar
sus ejércitos a lo que la OTAN
necesite.
bricantes para descontaminar todo tipo
de vehículos y aeronaves, el interior de
los mismos, personal y equipo, material
sensible y terrenos, empleando tecnologías de vacío, fluidos a presión, termoaerosoles, extracción de gases y
“descontaminación vertical”.
También fueron de interés los nuevos
tipos de materiales descontaminantes
con mayor y más rápida biodegradabilidad, de gran importancia para actuaciones en entornos civiles, tanto para
agentes específicos (N, B y Q), como
genéricos.
En las operaciones de planeamiento de
gestión de crisis y emergencias civiles
en las que participe la OTAN, se contempla el planeamiento, la instrucción y
procedimientos específicos, despliegue
de expertos civiles, expertos OTAN
para apoyar a las autoridades civiles y
el uso de capacidades no militares.
Se hace una llamada de atención a un
esfuerzo coordinado para un mejor
aprovechamiento de los recursos
económicos y la utilización de la tecnología en el campo de la seguridad y
la investigación, tanto para el uso civil
como el militar.
Se puso de manifiesto la necesidad de
normalización, compartir información,
utilización de escenarios reales y creación de instalaciones NBQ civiles, para
que no sea sólo una responsabilidad
militar.
En relación con la investigación y desarrollo, se consideró de importancia involucrar a los usuarios finales con el
objetivo de establecer buenas prácticas
demostraciones en el que se identificarán errores o faltas y se podrán recomendar mejoras. También será necesario tanto instrucción real como trabajo en simulación.
El área de mayor sensibilidad a nivel
civil es el riesgo de contaminación del
agua potable y la garantía de su suministro en condiciones salubres, por lo
que se está potenciando la detección y
análisis de dicha área.
Dentro de las capacidades NBQ del
ejército alemán, se puede ver la capacidad de potabilización de agua y el
envasado de la misma en formato de
bolsa de gran resistencia y con capacidades de 250 y 500 cm3.
Sobre los desafíos y soluciones de la
defensa biomédica, la pronta identificación de los agentes causantes de una
plaga o epidemia es crucial. Requiere
de la disponibilidad de dispositivos de
diagnóstico desplegables de campaña
así como un amplio abanico de ensayos de confirmación basados en últimas tecnologías, cuya disponibilidad
comercial es actualmente escasa.
Además de los agentes biológicos artificiales con más probabilidad de aparecer en un evento, surge una nueva serie de amenazas de agentes naturales.
La resistencia creciente de virus y
bacterias, es también uno de los nuevos desafíos y amenazas.
Deben evolucionarse las técnicas bioforenses para tomar las “huellas dactilares” de los agentes biológicos, para
permitir identificar y trazar cada cadena
a través de una base de datos.
A corto plazo, se espera la firma del
nuevo tratado START III, que reducirá
la disponibilidad de material NBQ.
También se indicó, por parte de varios
conferenciantes, que las cuatro fases a
ejecutar en una respuesta colectiva a
cualquier evento NBQ deben ser: prevenir, proteger, responder y recuperar.
Entre las nuevas tecnologías mostradas destacaban equipos de varios fa-
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objetivo de establecer buenas
prácticas
Fig. 1.
Escenario del congreso.
y concretar un programa práctico de
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
actualidad
El perfeccionamiento y uso de nuevas
tecnologías en los equipos científicos y
el uso de materiales COTS (comercial
off the shelf), han permitido reducir a
un 20% su volumen y masa en los
últimos 10 años. Estos avances permiten el desarrollo de vehículos de
menor tamaño y más ligeros, tanto de
reconocimiento como de identificación,
la inclusión de más equipos en el
mismo volumen integrando los sensores N, B y Q, junto con los sensores
meteorológicos, los sistemas de comunicaciones y de navegación. Disponen
de capacidad para recogida de muestras mediante un brazo robotizado o
sondas de recogida de muestras, protección balística y capacidad de autodefensa y ocultación.
La divulgación de conocimientos y la
disponibilidad
de
materiales
relacionados con el ámbito nuclear y
radiológico (de uso industrial y médico,
fuentes
huérfanas,
armas
y
componentes de las mismas, manejo y
almacenamiento de fuentes, dispositivos radiológicos improvisados y
ataques terroristas y
de otra naturaleza)
hacen que exista una
amenaza potencial posible y creíble, y que
requiere un manejo experto y especiales
medidas
de
protección.
Fig. 2. Exposición material NBQ.
Fig. 3. Equipos potencialmente utilizables para
actividades de descontaminación NBQ de material.
Para reducir o eliminar
las amenazas NBQ es
necesario
aumentar
las capacidades de
detección, establecer
procedimientos precisos
y
efectivos,
obtener una mayor
capacidad de captación de información y
hacer un eficiente
intercambio
de
la
misma También sería
necesario
utilizar
UAVs
(Unmanned
Aerial
Vehicles)
y
UGVs
(Unmanned
Ground
Vehicles),
efectuar
reconocimientos
e
identificaciones
rápidas y fiables, hacer
uso de CIMIC y finalmente establecer
sistemas de gestión de crisis.
Para prevenir actos terroristas mediante detección temprana de material
nuclear y radiológico ilícito in-situ es
importante la capacidad de detección,
pero lo es más la capacidad de identificación in-situ del material radiactivo,
así como que dichos instrumentos sean
muy sensibles mediante el perfeccionamiento y uso de blindajes especiales, principalmente de DU (Depleted
Uranium).
Actualmente, se están investigando
sistemas de detección pasivos muy
sensibles para radiaciones gamma y de
neutrones, que incluyen tecnologías
para eliminar el fondo natural (NBR Natural Background Rejection) y con
misiones para el escaneado de
edificios. También equipos móviles
(MDS - Mobile Detection System) o
fuentes móviles (MPMS - Mobiles
Portal Monitor System) para detectar,
y
ubicar
posibles
identificar
localizaciones de emisores gamma o
controlar sus movimientos a distancia.
En el campo de los biosensores también se están obteniendo avances para
detectar radiaciones mediante bacterias sensibles a las radiaciones que
producen bioluminiscencia. El inconveniente a solventar es que no es posible
la lectura en tiempo real.
Finalmente, debido a la climatología invernal, se pudo observar que equipos
con finalidades específicas en entornos
civiles podrían ser utilizados en caso
de incidentes NBQ y en este caso particular en descontaminación de equipos
pesados.
Fig. 4. Demostración de la agencia alemana de emergencias
tecnológicas.
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
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actualidad
RTO-SET-123:
Nanotecnología y
manipulación
electromagnética
Julio Plaza del Olmo, Área de Optrónica y
Acústica , ITM
Desde noviembre de 2006, y hasta
marzo de 2010, se desarrolló la
actividad del grupo SET-123/RTG-067
“Nanomaterials for sensors, sources
and Electromagnetic manipulation”. El
grupo se creó como consecuencia del
grupo exploratorio SET-ET-040, donde
se identificaron distintos tipos de
nanotecnologías interesantes para la
seguridad y defensa.
El grupo estuvo liderado por Estados
Unidos y tuvo participación activa de 6
países: Estados Unidos (AFRL),
Canadá (DRDC), Turquía (Universidad
de Bilkent), Reino Unido (DSTL),
Noruega (FFI) y España, representada
inicialmente por el CIDA y por el INTA.
El grupo tuvo cuatro temas principales
de trabajo. El primero, estructuras
cuánticas para detectores sintonizables, fue liderado por EE.UU. y buscaba el desarrollo de sensores capaces
de detectar una banda estrecha de
radiación, que pudiera ser seleccionada a través de la aplicación de un
voltaje externo. Este tipo de detectores
permitirían la detección multiespectral
de objetivos con un único elemento
sensor, facilitando su integración en
distintos tipos de plataformas. En este
tema de trabajo, se consiguió la colaboración del Instituto de Sistema
Optoeléctrónicos y Microelectrónica
(ISOM) de la UPM, y se desarrolló un
método de fabricación de este tipo de
sensores.
El segundo tema, liderado por Canadá,
se dedicó al estudio de los nanotubos
de carbono (CNT) y su viabilidad como
sensores de infrarrojo. El crecimiento
de CNTs en grandes superficies es
posible hoy día gracias a técnicas de
depósito de vapor químico (CVD), que
en combinación con técnicas de
plasma (PE-CVD) permiten que los
CNTs crezcan en vertical y alineados.
Con esta configuración, los CNTs
pueden ser sensibles a la radiación IR.
Además, la dependencia del diámetro
de los CNTs de las condiciones de
crecimiento hace posible diseñar una
respuesta espectral concreta. El trabajo
realizado permitió comprobar la
posibilidad de crecer los CNTs en esta
configuración, aunque no fue posible
medir la respuesta frente a radiación
IR. También se identificaron otras
posibles dificultades para el desarrollo
de dispositivos, como la forma de crear
contactos por donde extraer la fotocorriente o la temperatura de crecimiento, por el momento incompatible
con la integración de tecnología
CMOS, lo que dificulta la lectura de la
señal eléctrica generada.
El tercero de los temas trabajados
liderado por Noruega, fue el desarrollo
de fuentes de único fotón (SinglePhoton Sources, SPS). Este tipo de
dispositivos, en combinación con detectores de único fotón (Single-Photon
Detectors, SPD) están orientados a la
distribución segura de claves en criptografía cuántica, donde la clave se distribuye en forma de fotones con una
polarización determinada. Debido a las
propiedades de la mecánica cuántica,
Fig. 1. Esquema de fuente de único fotón (Single-Photon Source).
6
si un fotón es interceptado y observado
por alguien no autorizado, su estado de
polarización cambiará. De esta forma
es posible detectar que el canal de
comunicación no es seguro. Para ello,
sin embargo, es necesario contar con
fuentes y detectores que transmitan y
reciban un único fotón cada vez.
El FFI (Noruega), junto con QinetiQ
(UK), trabajaron en el diseño de un
dispositivo SPS basado en la generación de Ondas Acústicas de Superficie
(SAWs) en estructuras p-n. La ondas
acústicas confinarían electrones en el
lado p, que tras pasar por una puerta
estrecha, se recombinarían uno a uno
en el lado n de la estructura, consiguiendo la emisión de un único fotón
con una velocidad determinada por la
frecuencia de la onda acústica. El FFI
consiguió fabricar la estructura p-n,
demostrando que un dispositivo así es
en principio viable.
Por último, el cuarto tema en el que
trabajó el grupo estuvo relacionado con
metamateriales y fue liderado por
Turquía. Este tipo de materiales son
estructuras artificiales que presentan
propiedades que no es posible encontrar en la naturaleza, tales como un índice de refracción negativo. Estos materiales dan la oportunidad de manipular la radiación electromagnética para
poder guiarla, atenuarla, o amplificarla
según la necesidad y la aplicación
prevista, siendo la más popular la
invisibilidad o cloaking de objetos.
Para este tema de trabajo se decidió
organizar un workshop (la actividad
SET-139), que se celebró en Estrasburgo en abril de 2008 y que contó con
la participación de cerca de 50 expertos pertenecientes a universidades,
centros tecnológicos e industria, entre
ellos nueve de los mayores expertos
mundiales en metamateriales.
Durante las charlas se expusieron distintas formas de aprovechar estas estructuras en aplicaciones que van desde la radiofrecuencia, las ondas milimétricas y los terahercios hasta las
frecuencias ópticas (IR y visible).
Además, se comentó la posibilidad de
extender estos conceptos a los
metamateriales acústicos.
Como resultado final se decidió proponer a la RTO la creación de un grupo
exploratorio dedicado exclusivamente a
metamateriales, que se inició en 2010 y
del cual ha salido un grupo de trabajo
(el SET-181) que comenzó sus tareas
en abril de 2011.
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
actualidad
Jornada sobre
soluciones
tecnológicas en C-IED
Guillermo González Muñoz de Morales,
Nodo Gestor SOPT
El pasado 30 de junio de 2011, se
celebró la Jornada Monográfica sobre
“Soluciones Tecnológicas en C-IED”
(Counter
Improvised
Explosive
Devices) organizada por el Sistema de
Observación y Prospectiva Tecnológica
(SOPT) de la Subdirección General de
Tecnología e Innovación (SDG TECIN)
y la Academia de Ingenieros del
Ejército de Tierra (ACING) de Hoyo de
Manzanares, donde tuvo lugar el
evento.
Como en otras jornadas organizadas
por el SOPT, el objetivo que se persigue es favorecer el alineamiento de los
desarrollos industriales y de la I+D con
las necesidades operativas. Adicionalmente, como objetivo secundario tiene
mejorar el conocimiento sobre la capacidad nacional y facilitar el contacto de
la universidad, centros tecnológicos y
la industria para posibles futuras colaboraciones en este ámbito.
Fig. 1. Clausura de la Jornada.
explosivos y componentes de IEDs.
En este sentido, se presentaron
desarrollos y productos para la
detección de IEDs:
La jornada se organizó en tres bloques,
el primero dedicado a comunicar los
intereses y necesidades tecnológicos
del Ministerio de Defensa y las FAS en
C-IED, y los dos siguientes bloques
estuvieron dedicados respectivamente
a las soluciones presentes y futuras
(I+D) de la base tecnológica e industrial
nacional.
o Ocultos bajo la ropa mediante
cámaras pasivas de ondas
milimétricas.
o Mediante análisis espectroscópico
(DMA y láser) de trazas de
explosivos.
o A distancia con las mejoras
derivadas de la fusión de
diferentes sensores (LIBS /
RAMAN).
o Con soluciones basadas en
tecnología polarimétricas.
o Mediante nuevas tecnologías
para el desarrollo de sensores
basados en
nanotecnología.
En total se realizaron 15 ponencias, en
las que, entre otros, se abordaron
temas como:
•
Las necesidades materiales del ET
en el campo CIED y las prioridades
tecnológicas de la DGAM en este
ámbito.
•
Las capacidades del Instituto
Tecnológico de la Marañosa en CIED, principalmente en explotación
C-IED (química y electrónica), y de
evaluación y ensayo de inhibidores
contra RC-IEDs. A destacar la
prevista potenciación de esta última
capacidad con el proyecto SICAIN
(Sistema de Caracterización de
INhibidores) que empezará con la
implementación de una pista de
evaluación de inhibidores.
•
Las diferentes capacidades de la
industria y universidad española en
el campo de la detección de
•
para aplicaciones de explotación
de incidentes.
Las casi 100 personas de 40 entidades
diferentes que asistieron al evento son
un indicador del interés con que fue
acogida la jornada, que contó con
representantes de las FAS y fuerzas de
seguridad, Ministerio de Defensa,
empresas, institutos de investigación y
universidades.
Las presentaciones están disponibles
en la intranet de Defensa en la
dirección:
http://observatecno/observatorios/?q=n
ode/1688
También se mostraron
capacidades e iniciativas
orientadas a la neutralización y gestión de incidentes, como:
o Plataformas robóticas
para la neutralización
de IEDs.
o Posibilidades de neutralización con microondas de alta potencia.
o Soluciones
en
la
evaluación de riesgos
Fig. 2. Simulación por elementos finitos.
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
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actualidad
6ª Jornadas de
presentaciones de
empresas DISA
Pedro Carda Barrio, OT OPTR, Héctor
Criado de Pastors, OT ENEP
La Dirección de Sistemas de Armas
(DISA), perteneciente al Mando de
Apoyo Logístico del Ejército viene organizando dos veces al año una serie de
jornadas de presentaciones de empresas que permiten a la industria presentar las últimas novedades en armamento y material a los usuarios finales.
La última edición de estas jornadas se
realizó durante los días 24 a 26 de
mayo de 2011 en las instalaciones del
Jornada “Robótica en
el sector de la
seguridad y la defensa”
CF Ing. José Mª Riola, SOPT/SDG TECIN,
y Juan Jesús Díaz, OT SNAV
El pasado día 9 de junio, la Fundación
Círculo de Tecnologías para la Defensa
y la Seguridad organizó, en la Escuela
Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos, esta jornada con objeto de
dar a conocer las aplicaciones de la
robótica y las diferentes misiones en
las que su uso aporta significativas
ventajas al sector de la defensa y
seguridad.
La jornada parte de una descripción del
estado del arte de estas técnicas, ex-
Parque y Centro de Abastecimiento de
Material de Intendencia (PCAMI).
biométricos combinados (iris, vascular,
facial, huella).
Las presentaciones cubrieron un amplio espectro de sistemas: sistemas
TICS como nuevos cifradores IP tácticos y radio enlaces tácticos, sistemas
de lucha contra amenaza NBQ y C-IED
(laboratorios móviles), novedades en el
área de optrónica (infrarrojos, gafas de
visión nocturna, intensificación de luz, e
imágenes de fusión entre ambas), estaciones de armas remotas, soluciones
de infraestructura (módulos y naves
prefabricadas, infraestructura aeroportuaria transportable, potabilizadoras de
agua, incineradores móviles), afustes y
mantenimiento de cadenas, micro- y
mini-UAVs y sistemas de identificación
Las jornadas incluyeron tanto la presentación de actividades de las 15 empresas participantes, como la exposición de sistemas.
poniendo cómo existen diferentes misiones en las que su uso aporta significativas ventajas frente a los medios
empleados en la actualidad.
tercio del siglo pasado.
La industria nacional ha confirmado
que estas tecnologías cuentan con un
estado de madurez tal que le permitirá
afianzar sus actividades y crear firmes
expectativas de exportación hacia entornos europeos.
Se ha destacado que durante las
próximas décadas se irá integrando en
mayor medida a tareas de vigilancia,
protección y combate aportando significativas sinergias a la actuación conjunta entre hombres y máquinas.
El SOPT participó en esta jornada con
la ponencia “visión prospectiva de la
robótica militar”, presentada por el C.F.
José Mª Riola.
Desde el punto de
vista del sector de
Defensa, el uso
de máquinas automáticas o semiautomáticas para
sustituir o mejorar
las capacidades
naturales del ser
humano, ha sido
una ambición tradicional de los
ejércitos, que el
desarrollo de la
automática está
permitiendo
de
forma
efectiva
desde el último
A la jornada acudieron tanto operativos
de los diferentes Ejércitos y el Órgano
Central del Ministerio de Defensa,
como personal de las Fuerzas y Cuerpos de Seguridad del Estado.
La siguiente jornada se celebrará previsiblemente en octubre de 2011.
El Ministerio de Defensa reflejó que no
ha sido ajeno a este desarrollo y ha
implementado numerosas tecnologías
en diversas áreas de su actividad: sistemas aéreos no tripulados (UAV
Unmanned Aerial Vehicle); sistemas
marinos no tripulados tipo ROV
(Remotely Operated Vehicle) o UUV
(Unmanned Underwater Vehicle); robots industriales manipuladores; robots
de gestión de almacenes; robots terrestres tele‐operados; sistemas de
control automático de estaciones radar
o de comunicaciones, etc.
La jornada sirvió para evidenciar que
una de las aplicaciones cuyo uso se ha
extendido con mayor rapidez dentro del
entorno en el que nos referimos, es en
el de los sistemas no tripulados en todo
tipo de escenarios (terrestres, navales
y aéreos).
Desde el punto de vista militar se indicó
que si bien es cierto que las tecnologías antes descritas pueden mejorar la
eficacia y eficiencia, presentan ciertos
problemas asociados de no ser gestionados de una forma adecuada como
son el manejo de la información, la definición de nuevas reglas de enfrentamiento y ética en el uso de estos sistemas autónomos, etc.
Finalmente resaltamos que esta jornada ha servido como foro en el que
los usuarios han expuesto sus necesidades debatiéndose los aspectos más
significativos que afectarán al futuro de
este sector.
Fig. 1. Aplicaciones de robótica en seguridad y Defensa: UAV,
ROV submarino y ROV para desactivación de explosivos.
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Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
actualidad
Convenio de
colaboración con
INNOVAMAR
Héctor Criado de Pastors, OT ENEP
El pasado 28 de junio de 2010 se firmó
un convenio de colaboración entre el
Ministerio de Defensa y la Fundación
Instituto Tecnológico para el Desarrollo
de
las
Industrias
Marítimas
(INNOVAMAR) para la actuación coordinada en el ámbito de la I+D de
defensa y seguridad, relacionada con
temas marítimos.
La actuación coordinada se realizará
en el ámbito del Ministerio de Defensa
por la Dirección General de Armamento
y Material (DGAM), a través de SDG
TECIN, y comprende los siguientes
objetivos básicos:
a) Compartir conocimiento y experiencia sobre la estructura del tejido industrial en el sector marítimo, de defensa y
seguridad español y sus capacidades
tecnológicas.
b) Coordinar y, en su caso, complementar el apoyo a proyectos que desarrollen tecnologías duales (aplicaciones civiles y militares), de tal manera
que las empresas con proyectos de
interés para ambos organismos reciban
un apoyo adecuado.
c) Contribuir al fortalecimiento de las
capacidades de la industria española,
diversificándolas y orientándolas teniendo en cuenta las necesidades de
capacidades militares de las Fuerzas
Armadas Españolas a medio y largo
plazo.
d) Trabajar conjuntamente y defender
los intereses nacionales en lo que a la
participación de la industria española
en programas internacionales se
refiere.
e) Colaborar en la promoción de las
tecnologías duales consideradas de
interés mutuo, tanto aquellas cuyo desarrollo sea exclusivamente nacional
como las que se realicen en cooperación con alguna entidad u organismo
extranjero.
INNOVAMAR es una fundación de
carácter privado, sin ánimo de lucro,
que agrupa a todos los sectores públicos y privados relacionados con la mar,
cuyos objetivos fundamentales son:
a) Fomentar la investigación y el desarrollo en la industria de construcción
naval y su industria auxiliar, así como
en el transporte marítimo y la explotación de los recursos marinos.
b) Promocionar, en estos mismos
ámbitos, la investigación científica y
técnica y las actividades de formación.
c) Ser un foro de convergencia de los
intereses marítimos, donde sea posible
una discusión amplia y clara sobre el
presente y el futuro del sector marítimo.
agenda
Jornada de Difusión
sobre el Programa
EFC-JIPCBRN
Óscar Jiménez Mateo y Angélica Acuña
Benito, OT NBQ
El próximo día 14 de septiembre,
tendrá lugar una jornada sobre un
nuevo programa de la EDA en el área
de la defensa NBQ. Esta jornada tiene
como objetivo dar a conocer a la industria, centros de investigación y universidades las oportunidades que se
van a ofrecer en cuanto a la
participación en proyectos de I+T en el
ámbito NBQR a través del Programa
Internacional JIP CBRN, en el que
participa el Ministerio de Defensa y que
ha sido concebido en el CapTech
ESM04 de la EDA, grupo de trabajo
dedicado al área tecnológica de
Defensa NBQR.
El programa JIP CBRN abordará un
conjunto de actividades de I+T en el
marco de la Defensa NBQR y se
desarrollará dentro de un nuevo marco
de cooperación europeo (European
Framework
Cooperation,
1
EFC) , para la coordinación
de las actividades de la
EDA con las de la Comisión
Europea (EC) y la Agencia
Espacial Europea (ESA).
El alcance del programa
JIP-CBRN es el desarrollo
de actividades de I+T que
mejoren las capacidades
de protección NBQR:
•
conciencia situacional
(incluyendo detección e
identificación de agresivos
químicos y biológicos),
•
descontaminación,
•
modelado
y
simulación,
•
integración
de
información,
•
protección individual y
colectiva.
Si bien la participación en
este proyecto está abierta
a todo tipo de entidades,
el modelo JIP está
diseñado para fomentar la
participación de PYMES,
universidades e institutos
de investigación. Los
trabajos se adjudican a
consorcios
internacionales
en
procesos
de
libre
competencia
tras
las
diferentes convocatorias
del programa.
Las inscripciones se
pueden
realizar
en:
observatecno@oc.mde.
es, antes del 6 de
septiembre del 2011.
La duración estimada del
programa es de cuatro
años.
1
Más información en el Boletín nº28, “EFC:
Cooperación Europea en I+T de Defensa”
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
9
actualidad
Tecnologías de doble
uso: I+D al servicio
de la sociedad
CF Ing. José Mª Riola, SOPT/SDG TECIN
Durante los pasados días 18, 19 y 20
de julio se ha celebrado un curso de
verano organizado por el Centro Universitario de la Defensa (CUD) de la
Academia General del Ejército del Aire
en San Javier y la Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT), bajo el
título “Las Tecnologías de Doble Uso:
la Investigación y el Desarrollo al Servicio de la Sociedad Civil y Militar”. Las
sesiones se repartieron entre las aulas
de dicha universidad en Cartagena y
del CUD de la Academia.
El objetivo del curso era ofrecer una
perspectiva acerca de las tecnologías
de doble uso, abordando recientes
aplicaciones y sistemas derivados de la
investigación civil y militar.
Este CUD es uno de los tres centros
que en las Academias Militares conforman la Red de Centros Universitarios de la Defensa. Este sistema educativo nació con el objetivo de posibilitar la impartición de enseñanza en las
titulaciones universitarias de grado que,
conjuntamente con la formación militar
general y específica, constituyen la
preparación de los futuros oficiales.
Como no puede ser de otra manera,
desde sus orígenes, en los CUD se
han propiciado colaboraciones con el
Ministerio de Defensa en actividades
culturales, formativas e investigación.
Por ello y como muchas de las universidades e instituciones de la geografía
española, con el comienzo del verano,
los CUD ofrecen cursos y conferencias,
tanto para universitarios como para
10
profesionales en activo. En el caso de
los
estudiantes,
estos
cursos
contribuyen a ampliar su formación
relacionada con la cultura de Defensa,
precisamente muy extendida en los
países que se destacan por sus
aportaciones de I+D. Para los alumnos
de las academias militares la idea es
mejorar su perfil profesional con atractivas materias de estudio.
Cuando se habla de las tecnologías de
doble uso, debemos de tener presente
que uno de los vectores estratégicos
de toda universidad es la transferencia
tecnológica, una faceta que describe el
éxito de la cooperación entre la
empresa y un grupo universitario.
Desde el punto de vista de la Defensa
los avances tecnológicos deben tener
plasmaciones concretas y no ser sólo
una aportación al estado del arte, han
de concretarse en mejoras de
productos y servicios hacia las FAS.
Otro aspecto tecnológico relevante para
la investigación en los ámbitos civil y de
defensa, es que están superando la separación mantenida hasta hace
poco tiempo, necesitando aprovechar las sinergias, y en especial, la enorme
progresión de la
investigación civil acaecida en
los últimos años,
reconociendo
que las tecno-
logías básicas son comunes, aunque las
aplicaciones difieran.
En base a este necesario acercamiento
entre la formación universitaria y la investigación, y bajo este paraguas de
las tecnologías duales, se desarrolló el
citado curso donde las presentaciones
de muchos de los ponentes, tanto institucionales como industriales, pusieron
sobre la mesa numerosos ejemplos de
proyectos de investigación, demostrando los beneficios de la sinergia y la
complementariedad entre los dos
ámbitos en el presente y en el futuro.
La DGAM tuvo una gran participación,
contando con las siguientes aportaciones: “La política de I+D de Defensa:
metas y retos tecnológicos”; “Aplicación
del concepto CD&E en ámbitos civiles”;
“La convergencia de la investigación
tecnológica civil y de defensa en el
ámbito europeo”; “Aplicaciones civiles y
militares de la acústica atmosférica”.
Además, también participó en la mesa
redonda inaugural “Entorno de Tecnologías de Doble Uso”.
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
Tecnologías emergentes
El reto del ahorro
energético en
UNAMID
Francisco Javier Santos, Isdefe, y
Héctor Criado de Pastors, OT ENEP
Energías renovables y eficiencia
energética en misiones
Las diversas tecnologías de generación de energía y de mejora de eficiencia energética están en una fase
de crecimiento en el ámbito civil. Si
bien algunas tecnologías son actualmente maduras y viables, como la
energía eólica, o están a punto de
serlo, como algunas tecnologías solares, muchas de ellas están en un proceso continuo de I+D, tanto de las
propias tecnologías, como en la mejora de los procesos de producción.
Desde el punto de vista militar, se
pueden considerar todas estas tecnologías como emergentes, dado que los
sistemas de producción de energía
actualmente empleados por las Fuerzas Armadas se basan en desarrollos
con varias décadas de antigüedad. El
uso de estas tecnologías en este
campo tiene un importante potencial,
ya que redunda en una disminución
muy significativa de la cadena logística
en operaciones con bases y campamentos estables, lo que podría suponer un cambio significativo tanto en
coste como en planeamiento de las
misiones.
Por este motivo, existe un gran interés
en estudiar la viabilidad y adaptación
de estos sistemas al entorno militar
por parte de los principales actores a
nivel internacional.
La EDA desarrolla la iniciativa Green
Energy on Camps, con trabajos conjuntos de los Directorios de Capacidades y de R&T, con el fin de mejorar la
eficiencia de los campamentos de los
países miembros desde varios puntos
de vista: desarrollo de proyectos tecnológicos conjuntos, análisis del consumo actual, guías de diseño de campamentos y adquisición de material
energéticamente eficiente o manuales
para el personal operativo.
Por su parte, la RTO ha creado el
grupo de trabajo SAS-083 Power and
Energy on Operations para analizar de
forma conjunta el ciclo completo de la
energía en operaciones (para más información, consultar el Boletín de Observación Tecnológica en Defensa
nº28).
Por último, la ONU ha desarrollado
trabajos de mejora de eficiencia en algunas misiones internacionales, como
en la Operación UNSOA, como se
puede ver en la guía Assessment of
Energy, Water and Waste Production
Options for the Proposed AMISIM HQ
Camp in Mogadishu, Somalia and the
Support Base in Mombasa, Kenya.
Además, bajo el paraguas de la ONU
se lleva a cabo la misión UNAMID, en
la que se han realizado varios proyectos de demostración de energías
renovables aplicados a misiones
internacionales.
Características de UNAMID
Darfur, una región situada al oeste de
Sudán, se extiende sobre aproximadamente 500.000 km2, una superficie
similar a la de España, entre unas latitudes de 10º y 15º. Con dos épocas
bien diferenciadas, una de lluvias entre los meses de junio y septiembre, y
otra seca y calurosa durante el resto
del año.
El inicio del conflicto en Darfur se remonta al año 2003, a su vez el país
vive en la actualidad un proceso de
referéndum para la separación de la
región sur del resto. En este contexto,
Naciones Unidas desplegó una misión
el 31 de Julio del 2007 (Security
Council Resolution 1969), con un
mandato claro de proteger a los civiles, facilitar la ayuda humanitaria y
mediar en el proceso político interno.
UNAMID, las siglas en ingles de
United Nations African Union Hybrid
Mission in Darfur, ha desplegado casi
la totalidad de los 20.000 militares,
6.000 policías y 4.000 civiles previstos
en 4 Cuarteles Generales (MOB), 40
campamentos militares (FOB) y 80
comisarías de policía, además de
disponer de un presupuesto cercano
a los 1.800 millones de dólares
anuales. Está considerada una de
las mayores operaciones de paz de
la ONU.
En esta fase de la misión y en este
contexto, ISDEFE, en su papel de
empresa de capital público y
perteneciente al Ministerio de
Defensa, desarrolla en el marco de
un acuerdo internacional entre
España y la ONU una labor de
consultoría en distintas áreas de
conocimiento como ingeniería conceptual y de detalle, gestión de contratos (de raciones de alimentación,
combustibles, cadena de suministro)
y project management.
Fig. 2. Haboob (tormenta de arena).
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
La ingeniería se ha centrado en el diseño de los Cuarteles Generales, los
campamentos
militares,
los
11
tecnologías emergentes
aeropuertos
y
otros
proyectos
singulares destacando entre ellos un
centro de proceso de datos (Data
Center) y un hospital “ROLE 2
enhanced”.
Energía en UNAMID
Durante la fase de despliegue de la
misión, podríamos decir que dos son
los objetivos principales en cuanto a
las instalaciones se refiere, la rapidez
del despliegue y la fiabilidad, debido a
que se desarrolla una actuación simultánea sobre diversos puntos geográficos situados en un entorno de alta
hostilidad, tanto medioambiental como
de seguridad. Por esta razón, se
emplean desde hace ya tiempo grupos
electrógenos para la generación de
energía eléctrica, pues se trata de una
solución que a pesar de sus detractores medioambientales, se actúa en
detrimento de los dos objetivos mencionados líneas arriba, rapidez y
fiabilidad.
ceso de licitación internacional), así
como la posterior puesta en marcha
de la instalación y el mantenimiento.
En Darfur concretamente, la ausencia
de datos fiables acerca de mapas de
radiación, datos de vientos, geotérmicos, etc. influyen negativamente en la
fase de diseño.
Del mismo modo, la extrema severidad medioambiental penaliza la eficiencia de los equipos electrónicos así
como las baterías (temperaturas de
hasta 50 C) o el rendimiento del conjunto de la instalación (tormentas de
arena denominadas haboobs en el argot local)
En cuanto a la logística, merece un
capítulo aparte el estudio de la accesibilidad relacionado con la época del
año, infraestructuras existentes y
afectación de éstas por la época de
lluvias. Asimismo, la seguridad que
ofrecen estas vías y el riesgo de sabotaje tendrán una gran influencia en
el diseño y dimensionado de la instalación. Así como ocurre, por ejemplo,
con el dimensionado del volumen de
almacenamiento de combustible.
Por último, el aspecto estratégico es
fundamental en el desarrollo de nuevas aplicaciones militares de energías
renovables, considerándose crítico el
nivel de exposición (sabotaje por tierra, mar o aire) así como la garantía
(redundancia
de
de
servicio
generación).
Proyectos piloto
Como consecuencia de lo anteriormente mencionado, ISDEFE considera
que la manera de introducir soluciones
Se estima que UNAMID pueda tener
un gasto de 85.000 millones de litros
de combustible al año, incluyendo JET
y gasóleo. La huella logística de esta
misión es significativa y, por lo tanto,
es una prioridad diseñar teniendo en
cuenta la eficiencia energética y la implantación de energías renovables.
No obstante, es interesante valorar los
aspectos más destacables a la hora
de implementar una solución que implique el desarrollo de una nueva
tecnología.
Restricciones al cambio
La primera restricción que impide una
“revolución verde” es la cultura de la
Organización. Debe tenerse en cuenta
que en una organización madura
como Naciones Unidas no todos los
cambios son bienvenidos, lo que unido
a la falta de conocimiento acerca la
viabilidad y fiabilidad de estas nuevas
tecnologías convergen en una restricción, que se hace mayor cuanto menor
es el escalafón jerárquico. En este
sentido, una adecuada política de formación técnica concienciaría sobre las
soluciones presentes, facilitándose la
introducción de otras nuevas.
La falta de experiencia y de conocimiento técnico, potenciado por unas
rotaciones frecuentes de personal,
condicionan el diseño mediante estas
tecnologías, incluyéndose la fase de
compra (dificultad de redacción de las
especificaciones técnicas para un pro-
12
Fig. 2. grupo de generadores en UNAMID.
Fig. 3. Diseño de instalación de iluminación de la plataforma de aeronaves
de UNAMID.
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
tecnologías emergentes
basadas en el aprovechamiento de
energías renovables pasa preferiblemente por la selección de proyectos
que no afecten a sistemas críticos
para que se aporte experiencia a la
misión mediante pruebas piloto. Estas
propuestas se materializan en Darfur
en la promoción de dos proyectos
piloto que pretenden demostrar con
hechos la fiabilidad de estos proyectos:
• Energía fotovoltaica para el suministro eléctrico a las plantas de tratamiento de aguas residuales en campamentos militares.
• Energía fotovoltaica para el alumbrado de seguridad en terminales,
plataforma
y
accesos
de
los
aeropuertos.
El primero de los proyectos supone un
ahorro teórico en combustible de hasta
8.750 l/ año⋅campamento, con unos
beneficios adicionales asociados al
uso de una planta de tratamiento de
aguas que son el ahorro en el consumo de agua (fluxores, riego, lavado
de vehículos) de hasta 20 m3/día, un
ahorro en combustible asociado a la
logística del agua y una disminución
de riesgos a las personas durante el
transporte del agua desde pozos
remotos.
El segundo de los proyectos consiste
en el alumbrado de seguridad de la
carretera de acceso, así como el
perímetro de la terminal y la plataforma de aeronaves de UNAMID. Las
dos primeras áreas se iluminan mediante un sistema fotovoltaico aislado
(stand-alone system). Para la zona de
la plataforma se diseña una planta fotovoltaica con un ahorro aproximado
de hasta 35.000 l/año⋅aeropuerto respecto de la generación eléctrica realizada con generadores diesel.
Con la implantación de estos sistemas
en todos los aeropuertos y campamentos se podrá reducir el consumo
de combustible en 455.000 l/año,
equivalente al 0,54% del consumo total de la misión. A pesar de que esta
cifra pueda no impactar no debería
despreciarse el poder haber afectado
al consumo de la misión con el desarrollo únicamente de dos proyectos
piloto.
Soluciones aplicables
En la actualidad, la industria ofrece un
mercado maduro con experiencia sufi-
ciente en distintas aéreas (aeroespacial, civil, industrial, automovilístico,
etc.) como para comenzar a aplicar
soluciones existentes, probadas y fiables teniendo muy presente el reto que
supone adaptar al ámbito militar aquellas que no tengan aplicación directa.
Uno de los factores críticos en la misión es la dependencia de terceros en
la cadena logística para la obtención
de energía eléctrica. La posibilidad de
utilizar recursos existentes en el área
de operaciones significa diversificar el
riesgo, así como reducir el consumo
del hasta ahora imprescindible petróleo, incrementándose de esta manera
el nivel de seguridad y fiabilidad de la
misión y, reduciendo la huella
logística.
Para avanzar en la implantación de
nuevas tecnologías, ya sea por el uso
de energías renovables o simplemente
mediante sistemas de mejora de la
eficiencia energética en operaciones
de paz y de gestión de crisis es
necesario que gobiernos, industria y
organismos de investigación vayan de
la mano para afrontar el reto de la
adaptación al ámbito militar.
Dentro de las tecnologías actualmente
disponibles en otras áreas, existe un
amplio abanico de tecnologías susceptibles de aplicación en una misión
de paz con las características operativas y climáticas mencionadas, una vez
que los distintos proyectos piloto
hayan logrado superar las restricciones de cultura de la Organización anteriormente mencionadas.
Energía solar
La generación de energía eléctrica
mediante el aprovechamiento de energías renovables localmente disponibles, debería fundamentarse, dada la
experiencia actual, en el uso de
energía fotovoltaica.
Los sistemas de energía fotovoltaica
convencional, como los empleados en
los proyectos piloto, han demostrado
que pueden funcionar autónomamente
en sistemas aislados, mediante el correcto dimensionado de la instalación,
considerando la caída de potencia real
respecto a la potencia pico nominal
debidas a las elevadas temperaturas,
y el uso de sistemas de apoyo (baterías convencionales en este caso)
para mantener la potencia en caso de
reducción de la potencia suministrada
por causas meteorológicas o ambien-
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
tales, tales como cielos cubiertos o
tormentas de arena.
Dada la situación intertropical de Darfur, las variaciones en el ángulo de incidencia solar son pequeñas, por lo
que se pueden emplear sistemas fijos,
evitando el uso de seguidores solares,
que aumentarían tanto el coste logístico y de instalación, como el
mantenimiento.
Además de la tecnología solar convencional, existen varios desarrollos
solares interesantes para este tipo de
misiones:
•
Células solares flexibles, integradas en lonas, que puedan usarse tanto
en tiendas de campaña, como en toldos de sombra para evitar la radiación
solar directa sobre contenedores. A
pesar de que su rendimiento es menor
que las células solares convencionales, su uso sobre infraestructuras ya
establecidas permite no tener que
ocupar nuevas áreas para su despliegue, además de reducir indirectamente la demanda de climatización.
•
Células de capa fina, pese a tener una potencia pico menor que las
convencionales, la reducción de potencia debida a luz difusa o a temperatura elevada es menor, por lo que la
diferencia de rendimiento efectiva respecto a las células convencionales es
menor que en países meridionales.
Además poseen un coste menor que
las células convencionales, por lo que
es interesante estudiar su uso en
campamentos en los que la extensión
superficie a emplear no sea un factor
crítico en el diseño del campamento.
•
Diseños de colectores mixtos fotvoltaicos/termosolares, en los que el
ciclo térmico facilita el enfriamiento de
las células fotovoltaicas, mejorando el
rendimiento eléctrico.
A medio y largo plazo, existen otras
tecnologías en fase de I+D de generación de electricidad mediante energía
solar que podrían resultar de interés:
• Sistemas de concentración solar,
como discos Sterling.
• Células solares de concentración,
siempre que puedan solucionar los
problemas de evacuación térmica.
Energía eólica
El uso de energía eólica, más allá de
pequeños microgeneradores en sistemas híbridos que puedan apoyar a
13
tecnologías emergentes
otros sistemas de generación principales (generadores diesel, energía
solar) debe realizarse siempre tras un
estudio previo de las condiciones locales. Tanto la escasez de recurso eólico, como la existencia de fuertes tormentas de arena que puedan dañar
los aerogeneradores (ya sea por la
velocidad excesiva del viento o por el
posible daño de los materiales y maquinaria debido al impacto de partículas a gran velocidad), pueden suponer
factores de fracaso de la implantación
de energía eólica en misiones.
Sin embargo, en localizaciones con
buenas condiciones ambientales, el
uso de aerogeneradores eólicos desplegables de baja y mediana potencia
podría ser útil en misiones de ayuda
humanitaria, como UNAMID, donde no
existan problemas debidos a la vulnerabilidad de los aerogeneradores.
Aprovechamiento de residuos
Otro método alternativo para la generación de energía eléctrica es el aprovechamiento energético de residuos.
Actualmente existen varios proyectos
de demostración por parte de países
OTAN (EE.UU., Holanda) en misiones
internacionales (Irak, Afganistán) en
los que se emplean técnicas de incineración y/o gasificación de residuos.
Este método permite la reducción de
la cadena logística tanto del combustible diesel no utilizado, como del transporte de residuos fuera de las bases y
campamentos. Además, dado que en
definitiva estos sistemas emplean un
generador eléctrico estándar, su integración en la arquitectura de los sistemas eléctricos habituales de bases y
campamentos es una tarea sencilla.
agua caliente sanitaria a 60ºC.
Eficiencia energética en
climatización
Otra opción de climatización es el uso
de geotermia de baja entalpía. Estos
sistemas introducen agua en perforaciones a poca profundidad con el fin
de utilizar el terreno como foco térmico
estable (a unos 15ºC) para realizar un
enfriamiento previo o precalentamiento
antes de que alcance la bomba de
calor correspondiente. De este modo,
se logra mejorar la eficiencia de la
bomba de calor obteniendo unos rendimientos muy superiores. Con el fin
de mantener el rendimiento del sistema a largo plazo, y no producir contaminación térmica del terreno, es necesario realizar un estudio del terreno
para asegurar que la configuración final del sistema frío/calor realiza un
intercambio neto anual de temperatura
de valor cero.
Desde el punto de vista de la eficiencia energética, es importante destacar
que en las misiones en esta zona
climática, la mayor carga suele ser la
climatización de espacios. En el caso
de UNAMID, las cargas de climatización se concentran en la generación
de frío, debido a las continuas temperaturas elevadas existentes.
La climatización de la mayoría de las
infraestructuras de bases y campamentos se suele realizar mediante
unidades individuales de aire acondicionado, lo que resulta muy ineficiente
desde el punto de vista energético,
existiendo varias alternativas que pueden permitir mejorar el rendimiento de
los sistemas de climatización.
Un buen ejemplo de ello son las
máquinas de adsorción. Estos sistemas se basan en un proceso de adsorción de moléculas del líquido refrigerante por parte de un elemento
sólido, enfriando dicho líquido. Para
completar el proceso, es necesario
extraer las moléculas adsorbidas, lo
que se logra al recircular líquido proveniente de un foco caliente.
Un tipo de máquina de adsorción especial es el denominado frío solar.
Este sistema emplea como foco caliente un sistema de colectores solares
que elevan la temperatura del agua
del ciclo varias decenas de grados por
encima de la temperatura ambiente. El
agua caliente empleada puede utilizarse secundariamente para producir
Fig. 4. Visión de campamento de UNAMID.
14
Integración en metodología de
diseño
Por último cabe destacar que ISDEFE
ha desarrollado una metodología de
diseño de campamentos militares.
Esta metodología está basada en una
herramienta informática capaz de ser
parametrizada en función de los
estándares de la organización, requerimientos de la fuerza a desplegar, necesidades operativas, logísticas y climatología de la misión en particular. El
diseño incluye soluciones alternativas
a los sistemas tradicionales de generación eléctrica, climatización, etc. y
buenas prácticas constructivas de
ahorro energético.
Fig. 5. Infografía de la herramienta de diseño de
campamentos de ISDEFE.
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
tecnologías emergentes
El futuro en nuestra
voz
CC. Ing. Juan Carlos Huertas Ayuso,
Cap. CIP Mario de la Fuente Martín,
Unidad Mando y Control del ITM, y
Guillermo Duplá Salorio, INSA
La reciente promulgación por la Dirección General de Armamento y Material
(DGAM) española de la ETID 2010
(Estrategia de Tecnología e Innovación para la Defensa), en un intento de
coordinar y alinear la investigación en
el Ministerio de Defensa para la consecución de las capacidades demandadas; declara las metas tecnológicas
en diversas Áreas de interés para
nuestro país. De las cuatro metas
asignadas a la Línea de Actuación
Funcional “Sistemas de Información
para Mando y Control (C2)” del Área
TICS (Tecnologías de la Información y
las Comunicaciones y Simulación), la
meta 6.1.4, consistente en facilitar la
interacción humana con los sistemas
C2, tiene entre sus objetivos disponer
de interfaces hombre – máquina (IHM)
que demanden una interacción mínima
por parte del usuario para el manejo
del sistema en uso.
Algunos aspectos del IHM que pueden
ayudar a alcanzar dicha meta ya habían sido identificados, no sólo por
nuestros centros de investigación sino
también por otros pertenecientes a diversos países miembros de la OTAN.
Éste es el caso de la integración del
habla en los sistemas de información,
tanto desde el punto de vista de la Inteligencia como desde el Mando y
Control de operaciones. La organización RTO (Research and Technology
Organisation) de la OTAN había
creado un grupo de trabajo, el IST031/ RTG-013 “Research Study Group
on Speech and Language Technology”
con el objeto de estudiar el estado del
avance tecnológico de esta área y su
aplicabilidad a los entornos militares,
que presentan especificidades tales
como robustez frente a condiciones
adversas de funcionamiento, entornos
acústicos y mecánicos extremadamente ruidosos, operadores sujetos a
condiciones de estrés acusado que
Fig. 1. LCM1-E del GNP.
introducen distorsiones adicionales en
las señales, exigencias de operación
multilingüe, etc.
Una vez identificada la tecnología y su
potencial aplicación a las capacidades
militares, el antiguo Centro de Investigación y Desarrollo de la Armada
(CIDA), perteneciente a la anterior
Subdirección General de Tecnología y
Centros (SDG TECEN), actual SDG
TECIN, inició en 2006 una línea de
investigación, junto con la Escuela
Técnica Superior de Ingenieros de
Telecomunicación de la Universidad
Politécnica de Madrid (UPM), con el
doble objeto de adquirir conocimiento
y de incorporarse al grupo de trabajo
OTAN arriba mencionado. El proyecto
se denominó SIMHADE (SIMulación
de algoritmos de procesado del HAbla
para DEfensa) y se desarrolló entre
los años 2006 y 2008. En él se
consiguió la integración activa en el
grupo internacional y el desarrollo de
un sistema baseline de entrenamiento
y prueba de modelos acústicos para
poder desarrollar sistemas de reconocimiento del habla, verificación de
locutores e identificación del idioma
hablado. También se desarrollaron
tres demostradores tecnológicos, centrado cada uno ellos en una de estas
funciones.
Con la creación del Instituto Tecnológico de La Marañosa (ITM) integrando
los centros de investigación dependientes de la SDGTECEN, esa línea
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
de investigación fue absorbida por la
Unidad de Mando y Control del Área
de las Tecnologías de la Información,
las Comunicaciones y Simulación
(TIC-S); procediendo al análisis de los
resultados obtenidos en el proyecto
SIMHADE, decidiendo continuar con el
grupo de trabajo OTAN, transformado
ya en el IST-078/RTG-036 Research
Study Group on Speech and Language
Technology:
MACHINE
TRANSLATION FOR COALITION
OPERATIONS”, y centrar los esfuerzos nacionales en el desarrollo de una
herramienta SIRHA (Sistema de Reconocimiento del Habla) a partir de
uno de los tres demostradores tecnológicos previamente desarrollados.
El proceso de generación del SIRHA
se ha enfocado bajo la metodología
CD&E (Concept Development and
Experimentation) muy útil para el
mundo I+D+i, e implementada en las
siguientes fases: adquisición de conocimiento, desarrollo de un demostrador tecnológico, validación por los
usuarios, mejora y desarrollo de un
prototipo integrable, integración y validación final.
Para la validación del demostrador inicial se eligió al Grupo Naval de Playa
(GNP), perteneciente a la Flota de la
Armada Española, como unidad operativa y a sus patrones como usuarios.
A esta unidad pertenecen las nuevas
lanchas de desembarco LCM1-E
(Landing Craft Mechanisers) dedica-
15
tecnologías emergentes
das al transporte de tropas, vehículos
y material desde los buques anfibios
hasta las playas de desembarco. Estas lanchas disponen de un novedoso
sistema de control, el SCE (Sistema
1
de Control de Embarcaciones) , que
ayuda a sus patrones a controlar la
ejecución del movimiento de las lanchas hacia tierra mediante una consola táctil. En una primera etapa, se
aprovecharon unas maniobras militares de Operaciones Anfibias realizadas en diciembre del 2008 para grabar
una base de datos de locuciones de
varios patrones en entorno real. En las
cabinas donde éstos llevan a cabo su
actividad, existen unas condiciones de
ruido ambiental extremo, producido
por los motores de la lancha, por el
impacto del agua sobre el casco y por
los sistemas de comunicaciones que
operan dentro de la cabina.
Con esa base de datos, durante al año
2009 se realizaron mejoras en el demostrador y se entrenaron de nuevo
los modelos acústicos implementados;
disponiendo en septiembre de 2009 de
una nueva versión del demostrador
para realizar las pruebas de validación
con los usuarios a bordo de las lanchas. La tasa de acierto en ambiente
ruidoso fue superior al 91,5% sobre
las frases de prueba previamente elegidas por los patrones. Durante el proceso de validación, los usuarios
apuntaron que esta tecnología podría
ser útil para el manejo del SCE instalado en las lanchas, ya que al tener las
dos manos en los controles de las turbinas, el acceso a algunas funciones
del SCE mediante la voz les resultaría
de gran utilidad. Es decir, las pruebas
también se aprovecharon, tanto por
parte del equipo de desarrollo como
de los usuarios, para definir algunos
nuevos requisitos útiles para el futuro
prototipo a integrar con el SCE.
Partiendo del conocimiento adquirido
durante los años anteriores y de las
herramientas desarrolladas, se decidió
convertir el demostrador de reconocimiento del habla en una herramienta
fácil de integrar con cualquier sistema
de mando y control y que sea útil para
recoger comandos por voz. Y, como
no podía ser de otra manera por el interés manifestado durante la validación del demostrador, fue el GNP la
1
Referencia: artículo “El sistema de control
de embarcaciones (SCE)” publicado en el
Boletín de Observación Tecnológica en
Defensa nº 24. Tercer Trimestre 2009.
16
Fig. 2. Herramienta SIRHA.
primera unidad destinataria del
SIRHA, el cual tiene por objeto facilitar
la integración del patrón con el SCE a
través de un IHM para la gestión de
los mensajes y de las novedades emitidas, que sólo requiera el empleo de
la voz. Para dar continuidad al conocimiento adquirido en las fases anteriores, se siguió contando con el
apoyo del personal técnico participante desde el inicio y perteneciente a
la universidad UPM, y a la empresa
pública INSA a partir del 2010.
Esta nueva herramienta se concibió
con vista a ser lo más integrable posible con cualquier sistema de mando y
control. Para ello se decidió emplear
un interfaz simple por medio de un
conjunto de mensajes sobre una capa
de comunicaciones que utiliza una interfaz TCP/IP (un socket), permitiendo
que la aplicación de mando y control y
la herramienta SIRHA convivan en la
misma máquina o en máquinas distintas. Como la función de la herramienta SIRHA es reconocer automáticamente una serie de sentencias prefijadas por el usuario y enviárselas en
forma de texto a otra aplicación, el
SIRHA viene a ser otro interfaz más
de entrada para el usuario, como lo
son el teclado o el ratón. Para conseguir aún mayor flexibilidad, también se
permitió que las sentencias a reconocer vía voz puedan ser configuradas
por el propio sistema de mando y control que va a trabajar con la herramienta SIRHA, con una capacidad superior a 100 sentencias distintas.
Además, para ajustarse a las necesidades del sistema que quiera utilizarlo,
presenta distintas interfaces de usuario en función de las características
que tenga el sistema de mando y control. Por ejemplo, las sentencias reco-
nocidas, el estado de ejecución y los
mensajes definidos por el sistema de
control se pueden mostrar visualmente
o no en el SIRHA. Otra característica
que hace la herramienta muy versátil
es que está programada en Java, lo
que la convierte en una aplicación
multiplataforma pudiendo ejecutarse
con los sistemas operativos Windows
y Unix. La base tecnológica, tanto en
el SIMHADE como en el SIRHA,
consiste en el uso de una estructura
conjunta de modelos acústicos de
fonemas basados en cadenas ocultas
de Markov y de un modelo de lenguaje
de trigramas. El primero realiza un
tratamiento estadístico de procesos
doblemente estocásticos donde uno
de los eventos es subyacente y, por
tanto, está oculto y se tiene que
conocer a través de observaciones, es
decir, mediante el empleo y análisis de
base de datos de grabaciones de voz
directas. El segundo, emplea un
tratamiento
estadístico
de
probabilidades sobre grupos de tres
palabras, discriminando entre alternativas similares y seleccionando la
de mayor ocurrencia. Los modelos
acústicos se entrenaron previamente
utilizando la herramienta SIMHADE y
diversas bases de datos en español,
entre otras la grabada durante las maniobras del GNP en 2008. Durante el
2009 se añadió un sistema de Control
Automático de Ganancia (AGC) y se
mejoró la inteligencia del demostrador,
orientada a intentar adivinar la frase
más probable una vez identificadas las
palabras. Con estas mejoras se obtuvo un motor de reconocimiento de
muy altas prestaciones, y con una tasa
de error muy baja, incluso en ambientes ruidosos.
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
tecnologías emergentes
Durante el año 2010 se desarrolló el
prototipo con la nueva arquitectura y
con todas las propuestas solicitadas
por los usuarios; y además de las
mejoras ya incorporadas con el nuevo
sistema AGC, se llevó a cabo una cuidadosa selección del micrófono a suministrar para que se ajustara lo más
posible al uso que se le quería dar, teniendo en cuenta tanto criterios técnicos como funcionales de cara a los
patrones de las lanchas. El proyecto
SIRHA se terminó en el mes de septiembre y durante el último trimestre
del año 2010 se ha llevado a cabo la
integración con el sistema SCE por
parte de la empresa GMV.
Aprovechando que este año en curso
está en desarrollo una nueva versión
de SCE para ampliar sus funcionalidades, se ha decidido, con objeto de optimizar la gestión de la configuración,
que la funcionalidad de comandos por
habla no entre en producción hasta la
entrega de su siguiente versión en junio de 2011. A partir de ese momento
se podrá llevar a cabo la validación final de la primera implementación del
SIRHA integrado con el SCE en un
entorno operativo. Como las aplicaciones del habla desarrolladas son propiedad intelectual del Ministerio de
Defensa, están disponibles para su incorporación en cualquier sistema que
lo solicite, habiendo detectado posibles candidatos en los sistemas de los
carros de combate y en el próximo
Combatiente del Futuro, entre otros.
Sin embargo, esta herramienta y su
aplicación directa no tienen por qué
restringirse al uso militar, siendo viable
su integración con sistemas de uso
civil.
De cara al futuro la Unidad de Mando
y Control del ITM tiene previsto continuar con la línea de investigación del
tratamiento del habla existiendo actualmente dos proyectos en marcha.
El primero pretende estudiar la viabilidad del reconocimiento automático de
emociones mediante la voz, y se va a
abordar un estudio sobre el estado del
arte en esta tecnología, centrándose
en las principales técnicas utilizadas,
como los Modelos de Mezclas Gaussianos (GMMs), las Máquinas de
Vectores Soporte (SVMs) o las Redes
Neuronales (NNs). La comparación de
estas técnicas se realizará con pruebas de evaluación empleando una
base de datos patrón de emociones en
español, la cual fue recopilada durante
el año pasado por personal de la UPM
para este fin. Se trata de la base de
datos de emociones más amplia disponible en español, orientada para la
investigación de reconocimiento automático de emociones. Como resultado
se espera obtener un demostrador
tecnológico que ofrezca la mejor tasa
de acierto posible.
El segundo proyecto, planificado para
el 2011, va a consistir en profundizar
en el reconocimiento automático del
habla. Partiendo de la herramienta
SIRHA, que es capaz de reconocer
una serie de sentencias preestablecidas, se pretende hacer un demostrador que reconozca un texto libre con
una tasa de acierto superior al 90%.
Para ello, se van a investigar diversas
técnicas; como el uso combinado de
un modelo de lenguaje general con varios modelos específicos de diversas
áreas de interés (médica, tecnológica,
operativa,etc.), la incorporación de
nuevas palabras a los modelos ya
existentes
y
que
se
vayan
identificando durante el proceso de
reconocimiento y la aplicación del
contexto del discurso para optimizar
tanto
la
búsqueda
como
el
reconocimiento.
Si se consigue el éxito en los dos proyectos, se intentarán unir ambas
líneas de investigación, con el fin de
estudiar la capacidad de detectar la
entonación que afecta a la prosodia
del locutor, de cara a poder sintetizar
el habla de un modo mucho más natural mediante la fusión de la entonación
con la gramática y el contexto. Esto
permitiría desarrollar sintetizadores del
habla de un modo mucho más natural,
humanizando el IHM. En ambos proyectos, se continua con el grupo de
trabajo inicial para aunar esfuerzos y
aprovechar la sinergia de los conocimientos adquiridos.
Como se desprende de este artículo, a
día de hoy existe una dinámica en las
tecnologías del habla dentro del ITM,
con la experiencia heredada de proyectos anteriores y que está en pleno
desarrollo, siempre buscando la posible incorporación de las mismas para
satisfacer necesidades en proyectos
de Defensa, aunque puedan ser también de aplicación civil.
Fig. 3. Representación gráfica del habla
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
17
tecnologías emergentes
Proyecto SIMPLE
Sara Galán Pulido, SDG TECIN, Juan Antonio Nieto Sacristán, Indra, y María Luz
Gil Heras, Indra
INTRODUCCIÓN
Con el objetivo de dotar a las Fuerzas
Armadas de sistemas de Radiofrecuencia (RF) en el estado del arte reduciendo los tiempos de desarrollo actuales, con menores costes de ciclo de
vida, y atendiendo a la vez a las restricciones en el peso y volumen impuestas por las plataformas (tales como UAVs, barcos, plataformas aéreas
tripuladas, etc.), y a las cada vez más
exigentes necesidades operativas requeridas a los distintos sensores, surge
el concepto de Sistemas Multifunción
Escalables.
Se entiende por multifuncionalidad en
este contexto la capacidad de un sistema de realizar distintas funciones o
tareas, o bien la capacidad de un determinado subsistema de realizar distintas funciones dependiendo del sistema del que forme parte. La escalabilidad permite el diseño de sistemas
mediante la inclusión de un número
mayor o menor de un mismo elemento
hardware, con la correspondiente variación en las prestaciones, coste, peso, etc., de dicho sistema en función
del número de bloques utilizados.
La escalabilidad y multifuncionalidad se
implementaría en los sistemas de RF,
como son los sistemas radar, de guerra
electrónica y de comunicaciones, mediante el desarrollo de dichos sistemas
a partir de módulos capaces de realizar
distintas funciones de RF.
En este campo hay una actividad de
I+T importante en marcha en países
como EEUU, Reino Unido, Francia,
Suecia, Holanda y España, inicialmente
orientada al ámbito naval y actualmente dirigida a cargas de pago para
UAVs.
Así surgió el Programa Marco SMRF
(Scalable Multifunction RF Systems:
Sistemas Escalables Multifunción de
RF) dentro del CapTech IAP02 de la
Agencia Europea de Defensa (EDA)
con el fin de aunar los esfuerzos europeos dentro de esta área tecnológica y
capacitar a la industria europea en el
desarrollo de este tipo de sistemas. El
Ministerio de Defensa de España participa en este programa junto a Reino
Unido, Francia, Suecia, Holanda, Alemania, la República Checa y se está
además tramitando la adhesión de Italia. La industria española participante
en dicho programa marco es Indra.
El objetivo final del programa SMRF es,
por tanto, la definición de una arquitectura abierta y escalable para sistemas de radiofrecuencia, basada en la
definición de módulos multifunción e interfaces, utilizando estándares consensuados, publicados, mantenidos y
aceptados por una amplia comunidad
de organizaciones industriales.
Dentro de este marco de colaboración,
se ha desarrollado una hoja de ruta en
el que se han identificado los distintos
pasos y/o proyectos que deben llevarse
a cabo para alcanzar dicho objetivo.
El primer paso consistió en la realización de un estudio de viabilidad del diseño de Sistemas SMRF denominado
proyecto STRATA (SMRF TRAde Off
STudies, All nations), en el que participaron los Ministerios de Defensa del
Reino Unido, Francia, Suecia, Italia,
República Checa, Holanda y España y
un consorcio industrial de 8 compañías.
La industria española participante fue
Indra. Este proyecto verificó la viabilidad del concepto SMRF, concluyendo
que, aplicando el concepto de escalabilidad en los sistemas y haciendo uso
de bloques funcionales comunes, (denominados Building Blocks: BBs) se
consigue una significativa reducción de
costes (entre un 30 y un 40% de reducción de costes no recurrentes
(NRE), aproximadamente un 10% en
costes recurrentes (RE) por volumen
de producción y en torno al 25% en
coste total). Además, los gastos de desarrollo se compartirían entre las diferentes compañías y proyectos.
Una vez establecida la viabilidad de este concepto, se lanzó el proyecto
SIMPLE (SMRF IMPLEmentation: Implementación de sistemas SMRF), cuya actividades han finalizado recientemente y en el que han participado los mismos países que en el proyecto STRATA y un consorcio industrial
formado por Thales Nederland (NL),
BAE Insyte (UK), BAE ATC (UK), Selex
S&AS (UK) Elettronica (IT), Selex SI
(IT), SAAB (SE), TR6,(FR), TSA (FR),
Eldis (CZ) e Indra (ES). El objetivo de
este proyecto ha sido analizar la viabilidad de la implementación de la arquitectura SMRF previamente identificada
en el STRATA, y definir, a un primer nivel, los interfaces y bloques funcionales
que permitan diseñar distintos sistemas
de RF con una misma arquitectura.
Una vez definida la arquitectura SMRF,
se ha realizado la simulación de diferentes interfaces y bloques funcionales
para verificar la implementación de la
arquitectura propuesta en este programa.
Centrándonos ya en el proyecto
SIMPLE, sus actividades se han articulado en dos fases diferenciadas: por
un lado análisis (tecnologías críticas,
límites de las funcionalidades que un
sistema SMRF puede soportar, e identificación de bloques funcionales) y por
Fig. 1. Uno de los objetivos del concepto SMRF: Aunar MúltiFig. 2. Arquitectura propuesta para sistemas SMRF.
ples funciones dentro de un mismo sistema.
18
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
tecnologías emergentes
otro simulación (de los propios bloques
seleccionados, interfaces y de arquitecturas completas) para demostrar el
concepto SMRF en tres sistemas representativos:
•
Generación de onda: nuevos sintetizadores digitales directos DDS (Direct
Digital Synthesis) con mayor Margen
Dinámico Libre de espurios (SFDR:
Spurious Free Dynamic Range).
•
Radar de vigilancia terrestre:
(Ground Based Volume Search Radar:
GBVSR) en banda S con sistema IFF
(Identification Friend or Foe: Identificador Amigo o Enemigo) incluido.
•
Módulos
Transmisor/Receptor
(TRMs: Transmit/Receive Modules):
tecnología de Polímero Cristalino
Líquido (LCP: Liquid Crystalline Polymer) para módulos en banda ancha.
Paralelamente al análisis de la tecnología, se ha llevado a cabo la definición
tanto de los bloques funcionales (BBs),
como de los interfaces necesarios para
la implementación de los sistemas Multifunción Escalables conforme a la arquitectura identificada en el STRATA.
Esta arquitectura se basa en la definición de BBs unidos mediante tres tipos
de enlaces:
•
Sistema Radar/ ESM (Electronic
Support Measures)/ ECM (Electronic
Counter Measures) Multifunción para
MALE UAV (Medium Altitude Long Endurance Unmmaned Aerial Vehicle:
Vehículo no tripulado de Media Altitud y
Alta Persistencia) con frecuencia de
trabajo de 6 a 18 GHz.
•
Sistema Radar/ ESM/ ECM Multifunción embarcado en una plataforma
naval y trabajando desde 1 a 18 GHz.
ANÁLISIS
Como parte del proceso de la definición
de la arquitectura SMRF, el proyecto
SIMPLE ha realizado un análisis de la
tecnología actualmente disponible y su
tendencia futura (hasta el año 2020),
tanto de las tecnologías necesarias para la implementación de los diferentes
bloques funcionales como de las necesarias para implementar los interfaces
entre ellos.
Mediante este análisis se han identificado las tecnologías críticas (definidas
como aquellas cuyo estado futuro previsto no cumple con los requisitos más
relevantes) para la implementación de
sistemas SMRF.
Como conclusión de esta actividad en
el SIMPLE, se recomienda realizar un
esfuerzo de desarrollo en las siguientes
áreas tecnológicas:
•
Antenas: elementos de antena de
apertura escalada (TSA: Tapered Slot
Antenna) de banda ancha.
•
Transmisores: tecnología de Nitruro de Galio (GaN)
•
Receptores: nuevos desarrollos en
conversión analógico-digital (ADC)
•
Conformación de Haz: filtros digitales.
•
TIMLINK. Enlace síncrono para la
distribución de señales de reloj/osciladores.
•
DATALINK. Enlace asíncrono para
la distribución de comandos, instrucciones y datos entre los subsistemas y
los bloques funcionales.
•
SUPLINK. Enlace de supervisión
para encendido/apagado de bloques
funcionales, BIT, instalación de software, log in, etc.
Una vez definidos dichos enlaces, se
ha realizado también al análisis de viabilidad del control de los distintos bloques funcionales mediante una estructura de comandos común.
Uno de los elementos más críticos dentro de esta arquitectura es la antena,
debido principalmente a la exigencia en
los requisitos de ancho de banda, margen dinámico, capacidad de apuntamiento electrónico, etc. Por ese motivo,
dentro del proyecto SIMPLE se ha
prestado especial atención a este elemento.
Para el análisis de la antena se ha
adoptado el concepto de tile, considerado un elemento fundamental para la
escalabilidad de sistemas SMRF. Este
elemento constituye el BB situado en el
front-end del sistema y está formado
por un número determinado de módu-
Fig. 3. Ejemplo de tile.
los transmisor-receptor (TRMs), conformado de haz de primer nivel, etapa
de potencia y refrigeración y etapa de
control.
Los TRMs del tile constituyen a su vez
un sub-módulo también crítico para la
realización de los sistemas SMRF. En
el SIMPLE se han definido tres realizaciones hardware para los TRMs, aunque con interfaces y controles equivalentes:
•
Tipo 1: con entrada analógica en
transmisión, salida analógica en recepción, y conformado de haz a nivel de tile.
•
Tipo 2: con entrada analógica en
transmisión, salida digital en recepción,
y conformado de haz digital a nivel de
tile.
•
Tipo 3: con entrada digital en
transmisión, salida digital en recepción,
generación de onda a nivel de tile.
Se concluyó, tras el análisis tecnológico, que los tipos 1 y 2 son realizables
actualmente. El tipo 3 será realizable
en un futuro a largo plazo más allá del
año 2020.
Una antena estaría formada por un determinado número de tiles con TRMs
de un tipo específico, en función de
parámetros tales como frecuencia de
trabajo, ancho de haz, potencia de
transmisión, número de haces simultáneos, etc.
Respecto a las tecnologías empleadas
en estos “tiles” para conformado del
haz, se considera que las antenas de
los sistemas SMRF utilizarán desfasadores a nivel de TRM y retardo en
tiempo real (TTD: True Time Delay) a
nivel de tile, introduciendo el uso mixto
de técnicas analógicas y digitales.
Simulación
Las actividades de simulación en el
SIMPLE se han centrado en simulaciones de RF y de los interfaces entre los
distintos BBs, para finalmente terminar
con una simulación de eventos en el
planificador de tareas radar. De esta
manera, se ha pretendido verificar la
viabilidad de la implementación de sistemas SMRF.
Fig. 4. Beamforming mixto: Desfasadores a nivel
de modulo T/R (φ) y TTD a nivel de tile (τ).
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
19
tecnologías emergentes
Fig. 5. Simulación en el dominio de la frecuencia. Diagramas de radiación usando beamforming mixto para un
array 4x4 a 3.5 y 5.5 GHz respectivamente.
Por lo que respecta a la simulación de
RF, se realizó a nivel de diagrama de
radiación de antena tanto para banda
ancha como para banda estrecha, en el
domino de la frecuencia y en el dominio
temporal. Dichas simulaciones se han
centrado en el análisis de:
como para conseguir una reducción de
costes en arrays de grandes dimensiones.
Para verificar la viabilidad de los interfaces, se han realizado las siguientes
simulaciones:
Las principales conclusiones obtenidas
mediante esta simulación son:
•
SUPLINK: Desarrollo de un software para verificar la escalabilidad de
los sistemas SMRF, utilizando el protocolo SNMP bajo una red tipo ASTERIX.
•
TIMLINK: Análisis de los errores
de fase/retardo para señales de RF y
de jitter (diferencia de tiempo entre señales) mediante la aplicación de diferentes fórmulas.
•
DATALINK: Estudio de la latencia
y flujo de datos aplicado a los sistemas
patrón, mediante el uso de una hoja de
cálculo para verificar las capacidades
de procesado y el tamaño de memoria
necesario en los bloques funcionales.
•
Para los sistemas con Phased
Array de banda estrecha (tecnología ya
existente), el uso de bloques funcionales comunes en su arquitectura (implementación del concepto SMRF y
realización de la antena a base de tiles)
no supondría diferencias en las prestaciones y comportamiento con respecto
al de los sistemas disponibles actualmente. Sin embargo, sí que se conseguiría una notable reducción en el coste del sistema.
•
Para sistemas de banda ancha
sería muy interesante la inclusión de
TTD a nivel de modulo T/R. En este
momento la tecnología de banda ancha
no está lo suficientemente desarrollada
Finalmente, con el objetivo de verificar
la escalabilidad y capacidad multifunción de los sistemas definidos mediante la arquitectura SMRF, se ha realizado una simulación dinámica (en MatLab y Simulink). Para ello, se han definido tres escenarios operativos y tres
“fotos temporales” (snapshots) en cada
uno de ellos, que permitirán verificar la
capacidad multifunción de los tres sistemas RF elegidos en este proyecto
como sistemas RF multifunción representativos. Mediante la simulación del
modulo planificador de tareas en un
sistema de RF, (el cual define las acciones a realizar y asigna a cada una
de ellas un tiempo de ejecución) se ha
•
Degradación del diagrama de radiación debido a errores en el apuntamiento.
•
Degradación en la conformación
de haces (beamforming): debido al uso
mixto de técnicas analógicas (desfasadores) y digitales (TTD) para la realización del beamforming, se producen
lóbulos laterales en el diagrama de radiación. Se concluyó además, que estos lóbulos son dependientes del tamaño del tile.
20
verificado que los sistemas definidos
serían capaces de realizar las tareas y
funciones requeridas en cada uno de
los snapshots analizados.
La escalabilidad se demuestra en simulación añadiendo más o menos bloques funcionales al sistema.
Conclusiones y Recomendaciones
Se considera que el SIMPLE ha concluido satisfactoriamente, cumpliendo
el objetivo de demostrar que el desarrollo eficiente de sistemas RF se puede alcanzar mediante el uso de una arquitectura basada en un conjunto limitado de versiones básicas de módulos funcionales y unos interfaces internos basados en TDS (TimeLink, DatLink y SupLink), denominada arquitectura SMRF.
El concepto SMRF está basado en el
uso de una serie de BBs, que puedan
ser reutilizados en distintos sistemas.
Esto puede implicar un mayor coste de
desarrollo inicial de dichos bloques, pero que será después compartido entre
distintos sistemas. La escalabilidad implica además una reducción de costes,
ya que permite aumentar el número de
bloques idénticos utilizados en un mismo sistema.
El hecho de utilizar una arquitectura
común como la definida en el proyecto
SIMPLE en distintos sistemas de RF
permitirá invertir menos tiempo en su
desarrollo y disminuir los costes del ciclo de vida, sin sufrir por ello una degradación en las prestaciones de dichos sistemas. Una arquitectura común
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
tecnologías emergentes
facilita además el desarrollo conjunto
entre varias industrias.
Si bien el proyecto STRATA demostró
que la definición de distintos sistemas
de RF basados en bloques funcionales
es coste-eficiente, el SIMPLE ha ido un
paso más lejos, definiendo más detalladamente la arquitectura adecuada
para implementar este concepto, el
análisis de tecnologías emergentes que
permitan implementarlo, definición de
sistemas y escenarios típicos y la simulación de elementos claves que validen
la arquitectura y módulos definidos.
Así, mediante la simulación de la implementación de la arquitectura SMRF
definida para tres sistemas representativos y la simulación de prestaciones
esperadas, se considera validado dicha
asunción, realizada en el STRATA.
Como principales conclusiones técnicas del proyecto SIMPLE se pueden
destacar:
•
Una vez investigada la posibilidad
de diseñar sistemas multifunción en
banda ancha para radar, guerra
electrónica y comunicaciones, se considera que la solución preferida a nivel
de front-end de RF, estaría basada en
un sistema de múltiples antenas optimizadas para las distintas bandas. Así,
el proyecto SIMPLE recomienda una
división en tres bandas (1-2 GHz, 2-6
GHz y 6-18GHz) para dichos sistemas.
No obstante, la arquitectura definida
soporta tanto aperturas separadas como compartidas (para aquellos casos
en los que las restricciones en tamaño
y peso no permiten el uso de varias
aperturas).
•
Se han definido una serie de BBs
multifunción capaces de soportar distintas aplicaciones en sistemas radar,
de guerra electrónica y de comunicaciones. La definición de estos BBs ha
estado apoyada por el análisis de un
gran número de aplicaciones, cubriendo la mayoría de los sensores de RF.
•
Los sistemas de banda estrecha
(50 MHz de banda instantánea), ya sean analógicos o digitales, pueden desarrollarse hoy en día utilizando el concepto SMRF. La tecnología disponible
actualmente permitiría front-ends totalmente digitales en banda S.
•
Los sistemas de banda ancha
(hasta 1GHz de ancho de banda instantáneo) requieren un mayor desarrollo de la tecnología en lo que se refiere
a conformado de haz, amplificación y
eficiencia de potencia, y velocidad de
datos en el procesado de señal entre
otros.
Dados los resultados obtenidos, y con
el objetivo de alcanzar el diseño de sistemas SMRF basados en la arquitectura definida, como conclusión del
SIMPLE se considera altamente recomendable la implementación de proyectos futuros que resuelvan los puntos
débiles identificados en el proyecto.
Para ello, se sugieren dos líneas de
acción diferentes:
•
Desarrollo de sistemas de banda
estrecha totalmente digitales a nivel de
elemento (para banda ancha sería a
largo plazo). Se sugiere un demostrador hardware de arquitectura para un
sistema de banda estrecha.
•
Desarrollo de bloques funcionales
comunes analógicos y de banda ancha.
Se sugiere un estudio de tecnología
enfocado a tecnología de banda ancha
para elementos de antena, eficiencia
en RF y beamforming.
Según la hoja de ruta elaborada en el
Programa SMRF, se sugeriría continuar con los siguientes proyectos:
•
Demostrador de arquitectura hardware de un sistema de banda estrecha
que aborde temas como el control de
tiempos, gestión de recursos, tasa de
datos, refrigeración, etc.
•
Estudios tecnológicos centrados
en sistema de banda ancha, enfocados
en tecnologías como elementos de antena, eficiencia de radiofrecuencia y
conformado de haz de banda ancha,
etc.
En la actualidad se está contemplando
la posibilidad de crear un consorcio industrial para el desarrollo del concepto
de sistemas SMRF. Además un grupo
de trabajo, bajo este consorcio, vigilaría
que los estándares SMRF se cumplan.
Dados los resultados de este proyecto,
se considera importante para el desarrollo del concepto SMRF y la consecución del objetivo final de desarrollar,
sistemas basados en la arquitectura
propuesta y en línea con una serie de
estándares abiertos desarrollados en
este foro, que industrias y gobiernos
sigan fomentando el trabajo dentro del
Acuerdo Marco SMRF para definir un
plan común de acciones y nuevas propuestas de trabajo.
Fig. 6. Simulación en el dominio de tiempo. Diagrama tiempo-ángulo usando TTD a nivel de módulo T/R (izquierda) y
desfasadores a nivel de módulo T/R y TTD a nivel de tile utilizando un array de 4x4 a 3.4 GHz.
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
21
En profundidad
HÉLICES CLT:
TECNOLOGÍA BAM
CF Ing. José Mª Riola, SOPT-TECIN, Juan
Jesús Díaz, OT Sistemas Navales
Introducción
Con ocasión del acto de botadura del
cuarto Buque de Acción Marítima
(BAM) P-44 “Tornado” en los astilleros
de Navantia en San Fernando (Cádiz)
el pasado día 21 de marzo, se presentó
uno de los avances tecnológicos que
se ha incorporado en esta serie. Nos
referimos concretamente a la utilización
de hélices CLT (Contracted and
Loaded Tip Propeller) cuyo objetivo es
de reducir consumos, mejorar el nivel
de ruidos y aumentar la velocidad y por
ende
la
autonomía
de
estas
embarcaciones.
Tres días antes del mismo, el Consejo
de Ministros del día 18 de marzo, inició
los trámites para la preparación de un
nuevo programa de Buques de Acción
Marítima, dando comienzo a los
trabajos, actividades, estudios y
análisis necesarios que deberán
concluir en el plazo de cuatro meses,
momento en el que el Ministerio de
Defensa deberá elevar al Consejo de
Ministros una nueva propuesta de
Acuerdo por la que se autorice la
contratación de dicho programa y se
fijen las condiciones definitivas de
precios, plazos y requisitos. Este
programa prevé la construcción de
cinco nuevos buques: tres patrulleros
(BAM-P), un buque de salvamento y
rescate (BAM-SR), y un buque de
investigación oceanográfica (BAM-IO).
Con ellos se pretende continuar con la
baja de la actual flota de patrulleros,
que se encuentra en sus últimos años
de servicio activo, y su sustitución por
buques de mayores prestaciones y
capacidades.
Teoría y conceptos básicos
Las primeras aplicaciones de las
hélices están datadas hace miles de
años.
Nos
estamos
refiriendo
concretamente a los molinos de viento
y agua, si bien en el año 1804 el
inventor estadounidense John Stevens
tras realizar diversos experimentos
sobre la navegación de vapor,
desarrolla el primer propulsor de hélice
22
Fig. 1. Acto de botadura del BAM “Tornado”.
partiendo de una aplicación de la
máquina de vapor. Otros autores citan
como inventor de la hélice para barcos
al checo Josef Ressel quien solicitó la
patente austriaca el 28 de noviembre
de 1826.
(reacción)”. La hélice cuando rota
produce una fuerza que provoca un
empuje hacia atrás del agua, el cual
provoca una fuerza en la misma
dirección pero en distinto sentido que
origina el movimiento del buque.
La evolución aparejada del desarrollo
de la ingeniería naval comenzó su
exitosa historia con la construcción del
buque de vapor “Clermont” por Robert
Fulton botado en 1807, cuyo propulsor
era una rueda con paletas, movida por
una máquina de vapor, estableciendo
así el primer servicio regular a vapor
entre Nueva York y Albany.
Para entender la acción hidrodinámica
de la hélice es necesario conocer de
forma minuciosa la geometría básica
de la misma. Sin ánimo de ser
exhaustivos se definen a continuación
algunos conceptos básicos de estos
dispositivos.
La hélice determinó un cambio radical
en la propulsión de los buques. De
manera simplificada podemos definir
una hélice como un dispositivo formado
por un conjunto de elementos
denominados
palas
o
álabes,
montados de forma concéntrica
alrededor de un eje, girando alrededor
de éste en un mismo plano, cuya
función es transmitir a través de las
palas su propia energía cinética a un
fluido.
Esta teoría se basa principalmente en
la tercera ley de Newton “Principio de
acción y reacción”, que enuncia: “Si un
cuerpo actúa sobre otro con una fuerza
(acción), éste reacciona contra aquél
con otra fuerza de igual valor y
dirección, pero de sentido contrario
Se denomina avance geométrico o
paso a la distancia que una hélice o
una de sus hojas se desplaza hacia
adelante por cada vuelta completa que
realiza el eje del propulsor. Otra
característica fundamental es el
tamaño del núcleo necesario para fijar
las palas y los mecanismos de control,
que en el caso de hélices de palas
orientables (CPP - Controllable Pitch
Propeller) siempre será mayor que en
el caso de las hélices de paso fijo (FPP
- Fixed Pitch Propeller). Se define
como
diámetro
a
aquel
que
correspondería a la circunferencia que
fuera tangente a los extremos de las
palas. Otra característica fundamental
en el diseño de una hélice es la
relación paso-diámetro. También se
deben de tener en cuenta el
lanzamiento axial de la pala y el
lanzamiento circunferencial de la
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
en profundidad
hélice, que afectan directamente a los
esfuerzos vibratorios inducidos por la
presión del casco y que aportan
ventajas hidrodinámicas, así como
evitan fenómenos de cavitación.
Otra diferencia entre las CPP y las FPP
es la relación área proyectada / área
disco (A/A0), definiéndose como área
proyectada la que se obtiene de
proyectar la hélice sobre un plano
normal a su eje.
En otro orden podemos definir según el
sentido de giro de las mismas, hélices
dextrógiras (paso a la derecha),
cuando en marcha avante giran a la
derecha si miramos desde popa hacia
proa, y levógiras (paso a la izquierda)
si, en las mismas circunstancias, giran
a la izquierda.
La selección del número de palas, es
otro factor clave, normalmente su
número varía entre 3 a 7, si nos
centramos en el ámbito de las
aplicaciones militares y en base a
requisitos
de
ruido
generado
predominan del orden de 5 palas, de
manera que se minimicen las
frecuencias de resonancia perjudiciales
para la estructura y maquinaria, así
como los efectos debidos a la
cavitación.
La cavitación es un fenómeno físico de
gran importancia en propulsión. Este
hecho se comenzó a advertir cuando
fueron instaladas las primeras turbinas
de vapor para propulsión en los buques
militares. Se ha demostrado que
cuando las hélices trabajan a un alto
número de revoluciones existen zonas
de las palas (bordes de diámetro
extremo donde es mayor la velocidad
lineal) y de la cara de empuje de las
palas donde se produce una gran
disminución de la presión que en el
caso de alcanzarse la presión o tensión
de vapor provoca un cambio de fase de
líquido a vapor, dicho en términos
prácticos el agua hierve por descenso
de la presión. Los principios de la física
nos indican que la temperatura de
ebullición del agua es función de la
presión atmosférica (el agua hierve a
100ºC a nivel del mar y lo hace a
menor temperatura a mayor altura). De
acuerdo a este principio cuando la
hélice gira a gran velocidad y una vez
alcanzada la tensión de vapor, el agua
Fig. 2. Geometría de una hélice.
llega a hervir generando burbujas de
vapor. Estas burbujas continúan
desplazándose hacia atrás hasta que
se encuentran con una zona de mayor
presión donde implosionan o colapsan
(el vapor regresa al estado líquido de
manera súbita) generando ondas de
presión que inciden sobre las palas
produciendo un arranque microscópico
del metal de la superficie, hecho que
induce notables daños de erosión al
material constitutivo de la hélice. En la
implosión se producen presiones
5
puntuales de hasta 10 bares con
zonas de impacto de 1/1000 a
1/100.000
mm2.
El
segundo
mecanismo de daño se debe a que se
generan microchorros de agua que
llegan a alcanzar velocidades locales
del agua de hasta 1.000 m/s. Es por
ello que este fenómeno origina una
pérdida adicional de rendimiento al
reducir el empuje proporcionado por la
hélice y aumentar la resistencia al
avance. El fenómeno comenzó a
ensayarse tras la invención por Ackeret
en 1932 del túnel de cavitación,
permitiendo su estudio y obtención de
análisis muy completos.
Fig. 3. Fenómeno de cavitación y ensayo en túnel
de una hélice convencional.
Fig. 4. Ensayo en túnel de cavitación.
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
Fig. 5. Hélice CLT.
23
en profundidad
En los últimos años se han venido
desarrollando diversos dispositivos así
como nuevos diseños de hélices no
convencionales encaminados a mejorar
el rendimiento propulsor del buque.
Podemos citar entre muchas las
siguientes: de paso fijo, paso variable,
hélice tobera, contra-rotativa, de eje
vertical (acimutales), supercavitantes,
emergentes (surface propeller), Voith
Schneider,… Sin embargo una de las
aportaciones más importantes ha sido
realizada por la empresa española
SISTEMAR, que ha desarrollado un
tipo especial de hélice denominada
CLT o hélice con extremos de pala
cargados.
La selección de una hélice para una
aplicación particular es el resultado de
la consideración de diferentes factores
con objeto de conseguir el máximo
rendimiento y entre los que destacan:
limitación de ruido, mantenimiento,
costes de instalación,… Es por ello que
cada proyecto lleva implícito un estudio
cuidadoso en el que las condiciones
operativas deben de ser tenidas muy
en cuenta.
debido a la falta de conocimientos
específicos iniciales de este tipo de
hélice, ya que se precisa de un modelo
diferente a la metodología clásica de
extrapolación a escala completa en
relación con hélices convencionales.
De las pruebas de mar realizadas
hasta el momento en buques que
previamente tenían instaladas hélices
convencionales y que posteriormente
montaron CLT se obtuvieron una serie
de ventajas competitivas: mayor
rendimiento propulsivo, reducción de
los niveles de vibraciones excitadas
sobre el casco, a igualdad de potencia
propulsora mejor respuesta del buque
a la acción del timón. Estos factores se
traducen en mejores características de
maniobrabilidad (círculos de evolución
de menor radio y menor distancia de
frenado), reducción de potencia
propulsora (ahorro de combustible a
igual velocidad), disminución de los
efectos de cavitación (ya que existe
menor depresión en la cara pasiva de
las palas),…
Cabe recordar que la probabilidad de
que se inicie el fenómeno de cavitación
se evalúa en base a la relación que
existe entre la presión dinámica en el
punto de estudio, la presión de vapor a
la temperatura de estudio, la densidad
y la velocidad aguas arriba. Es por
tanto manifiesto que esta probabilidad
depende de la distribución de
presiones y del tipo de flujo
desarrollado sobre la sección anular de
la pala.
Los diseños iniciales de hélices CLT
tenían a su favor la menor depresión
existente aguas arriba, y en contra el
desprendimiento de flujo producido en
las secciones extremas de la hélice
debido al excesivo ángulo de ataque.
Además del riesgo de excitación de
vibraciones
existía
también
la
posibilidad de que el flujo desprendido
en las secciones extremas pudiese
reincidir sobre las palas originando
cavitación
tipo
nube,
con
la
consiguiente erosión de las palas. Fue
por ello necesario desarrollar ensayos
de cavitación precisos que tuvieran en
cuenta el efecto de escala que afecta a
la resistencia viscosa de las palas de la
hélice en el campo del modelo [6].
Historia
El concepto de hélice CLT surge en
1976 por el profesor D. Gonzalo Pérez
Gómez y se ha venido evolucionado
hasta nuestros días de forma continua.
Introducen un aspecto diferenciador de
las convencionales al contar con unas
placas de cierre en los extremos de las
palas de manera que permiten que
exista una carga no nula en su borde.
Estas placas de cierre impiden que se
generen torbellinos de extremo de pala,
lo que supone que las fuerzas
fluctuantes de presión son menores en
las hélices CLT y en consecuencia
también son menores los niveles de
ruidos y vibraciones a bordo. La teoría
ha demostrado que cuanto mayor es la
diferencia de presiones en ambas
caras mayor es el rendimiento de la
hélice.
Estas hélices han sido instaladas en
más de 280 buques, entre civiles
(petroleros, quimiqueros, bulkcarriers,
pesqueros, RO-RO, cruceros, etc.) y
militares, oscilando la gama de
potencia propulsora de los 36.000 BHP
(Brake Horsepower) a 90 rpm hasta los
300 BHP a 2.400 rpm. A pesar de los
resultados expuestos, una de las
dificultades con las que se encuentra el
armador / astillero a la hora de
seleccionarlas e instalarlas ha sido
24
Fig. 6. Esquema y hélices CLT montadas en el BAM P44 “Tornado”.
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
en profundidad
Fig. 7. Hélice CLT en el petrolero “Roy Maersk”.
La segunda generación de hélices CLT
ha aportado mejoras con respecto a la
inicial como son la reducción de la
depresión en la cara de succión de la
hélice, minimizando la extensión de
cavitación tipo lámina y por tanto los
niveles de las fluctuaciones de presión,
y han aumentado la sobrepresión en la
cara de presión de la hélice que tiene
como consecuencia el aumento del
rendimiento de propulsor aislado.
Programas de I+D, resultados
Con objeto de comprobar la fiabilidad
de los resultados esperados se llevó a
cabo
un
programa
de
I+D+i,
patrocinada por la Gerencia del Sector
Naval, que finalizó en 2005. En él
participaron
Izar
(actualmente
NAVANTIA),
el
CEHIPAR,
y
SISTEMAR. El objetivo era desarrollar
un procedimiento de extrapolación a
plena escala de los resultados de los
ensayos de remolque, autopropulsión y
propulsor aislado correspondientes a
hélices CLT y asimismo desarrollar una
metodología especial para efectuar
ensayos de cavitación con modelos de
las mismas. El programa finalizó con la
validación de la tecnología desarrollada
comparando los resultados experimentales con los de plena escala, tomando
como datos los correspondientes al
buque “Fortuny”, construido por AESA
(Astilleros Españoles S.A.), para
Transmediterránea.
De los resultados de las pruebas
comparativas tanto en el campo del
modelo como a plena escala se
concluyó que los procedimientos
desarrollados para la extrapolación de
los resultados experimentales con
hélices CLT y de realización de
ensayos de cavitación eran correctos.
El programa de mediciones a plena
escala
efectuado
con
palas
i
convencionales
de
alto
skew
Fig. 8. Imágenes del proyecto SILENV.
diseñadas por Marin y con hélices CLT,
puso de manifiesto la calidad superior
de las últimas, traduciéndose en una
reducción de la potencia propulsora a
velocidad constante superior al 11 % y
en la reducción drástica de los niveles
de ruidos y vibraciones excitados.
Las conclusiones que se obtuvieron
tras los numerosos ensayos de
cavitación, realizados en los programas
de I+D, evidenciaron que las secciones
extremas de dichas hélices presentaban desprendimientos de flujo, que
podían
originar
fenómenos
de
cavitación tipo nube. Este hecho obligó
a un rediseño de las mismas,
recurriéndose a que las secciones
extremas de las palas tuviesen un
lanzamiento negativo, con la finalidad
de dificultar el retorno sobre la pala de
la cavitación tipo lamina desprendida.
Gracias a estos estudios y desarrollos
la Armada exploró la posibilidad
instalar estas palas tanto en el Buque
de
Aprovisionamiento
(BAC)
“Cantabria” como en los BAM. Tal y
como se describe en [3], este buque
cuenta con dos unidades propulsoras
que están situadas en dos cámaras de
máquinas independientes, constando
cada unidad de un motor diesel, un
motor eléctrico, un reductor y una línea
de ejes que suministra la potencia
propulsora a una hélice de paso
controlable tipo CLT.
En 2006 se estableció un acuerdo con
A.P. Moeller Maersk (una de las
principales navieras del mundo) para
definir
diferentes
dispositivos
y
soluciones capaces de reducir el
consumo
de
combustible.
Esta
compañía ha instalado este tipo de
hélices tras considerarlas como uno de
los dispositivos más prometedores
dentro de este campo. En octubre 2007
comenzaron los primeros ensayos en
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
el Canal de Ensayos Hidrodinámicos
de Hamburgo (HSVA) finalizándolos en
febrero de 2008. En base a ellos A.P.
Moeller decidió continuar las investigaciones aplicándolas en un petrolero de
35.000 tpm (toneladas de peso
muerto). En el llevó a cabo ensayos de
remolque, aguas libres, autopropulsión,
cavitación, medición de estelas y
estudio del campo de presiones. De
ellos se derivó como principal
conclusión que con estos medios se
obtenía un ahorro importante de
combustible.
En 2009 se inicia el programa SILENV
(Ships oriented Innovative Solutions to
Reduce Noise & Vibrations) dentro del
7º Programa Marco, que tiene por
objeto el estudio de las fuentes que
provocan ruido y vibraciones dentro de
los buques y en su entorno, los
métodos para reducirlos con su análisis
de costes, y finalmente proponer una
categoría “green label” definiendo los
requisitos asociados a los distintos
tipos de barcos y soluciones para
alcanzar estos requisitos. Estas hélices
forman parte del estudio del mismo [1].
Otro proyecto de I+D que se está
desarrollando actualmente en el ámbito
del 7º Programa Marco es el “Triple
Energy Saving by Use of CRP, CLT
and PODded Propulsion - TRIPOD”. Su
principal objetivo es el desarrollo y
validación de un nuevo concepto de
propulsión para mejorar la eficiencia
energética de los buques a través de la
combinación de tres tecnologías
avanzadas de propulsión existentes
(propulsor acimutal POD, hélices CLT y
hélices contrarrotativas). Los miembros
que participan en él son ABB y VTT de
Finlandia, MAERSK de Dinamarca, y la
participación nacional la lleva a cabo el
CEHIPAR, CINTRANAVAL-DEFCAR y
SISTEMAR.
25
en profundidad
Fig. 9. Ensayo de cavitación y CLT instalada en el BAM.
En la fase de ejecución del proyecto se
analizarán hasta siete configuraciones
distintas de propulsión, se partirá de un
buque con hélice convencional al que
se le diseñará una CLT alternativa. La
fase final implica una optimización de
las formas de popa desde el punto de
vista propulsivo diseñando una nueva
unidad CRP-CLT-POD comparando
sus resultados con las referencias
anteriores. Pretende llevar a cabo la
validación de los ahorros estimados de
energía,
ruidos
y
vibraciones,
analizando la viabilidad técnica desde
el punto de vista económico para
implantar este novedoso concepto en
nuevas construcciones y buques en
servicio. Este proyecto además está
orientado a satisfacer las demandas
establecidas por la IMO (International
Maritime Organization) con el fin último
de conseguir una contaminación cero
por parte de los buques bajo el
concepto de “mejora continua” según
recoge el Código Internacional de
Gestión de la Seguridad ISM
(International
Safety
Management
Code), tanto dentro del ámbito
internacional (revisión del anexo VI del
Convenio MARPOL) como en la UE
(Directiva
2005/33),
que
han
implementado un calendario que
condiciona las emisiones de NOx, SOx,
PM y CO2.
Fundamentos teóricos
A la hora de diseñar un buque uno de
los factores que se tiene en cuenta es
el denominado rendimiento propulsivo
(ηP). Este coeficiente se define como la
relación entre la potencia efectiva
(EHP) que es necesaria para vencer la
26
resistencia al avance y la potencia
desarrollada por la planta propulsora
(BHP).
La base de partida para el proyecto de
una hélice es la curva de potencia
efectiva. Por tanto el principal objetivo
del diseño del las formas del buque y
de la hélice será incrementar tanto
como sea posible el valor del (ηP) de
manera que la potencia requerida para
propulsar el buque a una determinada
velocidad sea lo menor posible,
siempre y cuando se satisfaga la
especificación del proyecto. Este
rendimiento puede calcularse en
función de los rendimientos del casco
(ηh), del propulsor aislado (η0), rotativo
relativo (ηR) y del mecánico (ηm).
Los primeros desarrollos teóricos y
ensayos con modelos de este tipo de
propulsores fueron publicados en 1976
bajo el concepto de hélices TVF (Tip
Vortex Free) [5], este concepto dio
lugar al desarrollo posterior de las CLT
a partir de 1986.
En 1980 se generaliza la “Teoría de
Líneas Sustentadoras” y se desarrollan
en base a ella los primeros diseños.
Esta teoría es revisada posteriormente
publicándose en 1983 las correcciones
y aplicaciones a dicha teoría [4] y [5].
Esta bibliografía define y recoge los
valores de los rendimientos del
propulsor aislado (η0) tanto para la
teoría clásica como para la nueva
teoría de la impulsión (NTI).
Ambos
rendimientos
están
influenciados
por
el
coeficiente
adimensional (ε) que define el reparto
de presión. ε depende del tipo de hélice
y de sus características principales
(diámetro, número de palas, relación
área / disco, distribución radial de
cargas, geometría de las secciones
anulares...).
De acuerdo con la NTI es evidente que
el rendimiento disminuye conforme ε
aumenta y viceversa.
En el caso de hélices convencionales,
la NTI no permite matizar la influencia
de la sobrecarga de la hélice en el
coeficiente ε, ya que se impone un
valor fijo de dicho coeficiente. En los
cálculos para los propulsores CLT
según la NTI se utiliza un valor inicial
de 0.16 para realizar predicciones y
próximo a 0.09 para definir la
geometría. Mientras que para hélices
convencionales este valor está en el
rango de 0.4.
El empuje suministrado por la hélice se
obtiene por medio de la acción
combinada de una reducción de la
presión (ε ∆p) aguas arriba y de una
sobrepresión ((1- ε) ∆p) aguas abajo de
la
hélice.
La
NTI
demuestra
matemáticamente que la velocidad
inducida al fluido por la acción de la
hélice depende de ε. Además expone
que la componente axial de la
velocidad inducida aumenta a lo largo
de la vena líquida desde el disco
actuador que modeliza la acción de la
hélice sobre el agua hasta el infinito
aguas abajo. Este incremento de
velocidad produce una reducción
progresiva de la sección transversal de
la
vena
líquida
(ecuación
de
continuidad). Es por ello que las placas
de cierre de la hélice CLT deben
adaptarse a la contracción de la vena
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
en profundidad
líquida para reducir tanto como sea
posible su resistencia viscosa.
Aplicaciones en Defensa
En octubre de 2009 se llevaron a cabo
las pruebas de mar del BAC
“Cantabria”, este buque está equipado
con una hélice de 5 palas con un
diámetro de 5.7 m, relación área disco
de 0.58 y núcleo CP de Rolls Royce.
Las pruebas de mar han confirmado los
cálculos de diseño y predicciones
previas en canal.
En el caso de los BAM, la hélice
seleccionada cuenta con 4 palas, tiene
un diámetro de 3.45 m, relación área
disco es de 0.52, y su fabricación la ha
realizado WÄRTSILA IBERICA. Las
pruebas de mar con la primera unidad
de los BAM el P-41 “Meteoro” se
llevaron a cabo en marzo de 2011.
Conclusiones
Las principales conclusiones que pueden extraerse tras más de 30 años de
desarrollos son que esta tecnología es
una realidad completamente desarro-
llada, conceden ventajas significativas
sobre las hélices convencionales,
cuando se aplican a buques de gran
desplazamiento, como [2]:
•
Se estima de un 5% a un 8% más
eficiente en toda la gama de
funcionamiento, lo que repercute
en ahorro de combustible, menor
nivel
de
emisiones,
mayor
velocidad y autonomía.
•
Se reduce el riesgo por cavitación, lo que supone menor nivel
de ruido y las vibraciones
inducidas.
•
Los incrementos en la eficiencia
son mayores cuando se aplican
estos diseños a buques con un
coeficiente de bloque elevado (cb)
(petroleros, bulkcarriers,…) y
bajas velocidades de tránsito.
Finalmente queremos resaltar con este
artículo que el proceso de selección y
diseño de estas hélices para nuestros
buques de guerra ha supuesto un hito
para la Armada.
Referencias
[1] Cerup.Simonsen, B., De Kat, J.,
Jakobsen, O., Pedersen, L., Petersen,
J. y Posborg, T., (2010). An integrated
approach
towards
cost-effective
operation of ships with reduced GHG
emissions. Society of Naval Architects
and Marine Engineers SNAME. Rhode
Island. Providence.
[2] Gennaro, G., Adalid, J., y Folso, R.,
(2009). Contracted and loaded tip
(CLT) propellers. Latest installations
th
International
and experiences. 16
Conference of Ship and Shipping
Research. Messina, Italia.
[3] Manrique, J., González-Villegas, F.,
Chacón, J. y del Castillo, F., (2006). El
Buque de Acción Marítima (BAM). Una
solución innovadora y con proyección
de futuro adaptada a las necesidades
de la Armada. Revista de Ingeniería
Naval. 841, 81-91.
[4]
Pérez-Gómez,
G.,
(1983).
Correcciones a la teoría clásica de la
impulsión y habilitación de la misma
para el diseño de propulsores. Revista
de Ingeniería Naval. Enero.
[5] Pérez-Gómez, G., BaquerizoBriones, I. y González-Adalid, J.
(1983). Aplicaciones de la nueva teoría
de la impulsión al diseño de
propulsores. Revista de Ingeniería
Naval. Julio.
[6] Pérez-Gómez, G., Pérez-Sobrino,
M., González-Adalid, J., GarcíaGómez, A., Masip, J., Quereda, R.,
Minguito, E. y Beltrán, P., (2006). Un
hito español en la propulsión naval.
Rentabilidad de un amplio programa de
I+D+i. Revista de Ingeniería Naval.
838, 79-114.
i
La hélice con “skew” o lanzamiento
circunferencial, es aquella que permite una
entrada progresiva del flujo (partículas de
agua) en la pala evitando perturbaciones
que incitan vibraciones y ruidos. Se
caracterizan por su alto rendimiento
propulsivo, bajos niveles de ruidos y
vibraciones.
Fig. 10. Diagrama de presiones.
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa Nº 31. Segundo Trimestre 2011
27
Boletín de Observación Tecnológica en Defensa
Disponible en http://www.defensa.gob.es/areasTematicas/investigacionDesarrollo/
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DE ARMAMENTO Y
MATERIAL
SUBDIRECCIÓN GENERAL
DE TECNOLOGÍA E
INNOVACIÓN